Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Organická a tištěná elektronika je nadále na vzestupu

Organické a tištěná elektronika rychle nachází stále nové možnosti využití a spolu s tím se toto moderní průmyslové odvětví v současnosti po celém světě bouřlivě rozvíjí. Podniky sdružené v asociaci OE-A hledí do budoucnosti s optimismem a v roce 2016 očekávají vzrůst celkového obratu v odvětví o 11 %.

 

Organická a tištěná elektronika patří v současné době k nejdynamičtěji se rozvíjejícím odvětvím elektronického průmyslu. Organická – či přesněji polymerní – elektronika spočívá ve využití vodivých plastů na bázi polythiofenů, polyfluorenů aj. Jejím základem je objev vodivých polymerů v roce 1977, za který získali A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid a H. Shirakawa v roce 2000 Nobelovu cenu. Díky obrovskému zájmu se odvětví organické a tištěné elektroniky v současné době v celém světě bouřlivě rozvíjí. Renomovaný americký ústav pro výzkum trhu IDTech-Ex odhaduje, že roční obrat na trhu s organickou a tištěnou elektroniku ve světě vzroste ze současných 9,4 miliardy do roku 2022 na 63 miliardy amerických dolarů (vizhttp://www.idtechex. com/pe). Velký podíl na tom budou zřejmě mít organické světelné diody (Organic Light Emitting Diode – OLED), organická fotovoltaika a vodivé inkousty a barvy se širokým využitím.

 

Co tištěná elektronika dovede

Organická a tištěná elektronika představuje progresivní moderní techniku založenou na spojení plastů a elektroniky. Kombinace nových vodivých materiálů – většinou na bázi polymerů – s postupy hromadné výroby, jako je především technika plošného a zejména kontinuálního rotačního tisku na ohebné fólie, umožňuje velmi levně vyrábět v masovém množství tenké, lehké a ohebné elektronické komponenty. Tištěná elektronika má mnoho předností, díky kterým je mimořádně atraktivní. Především je to levná a snadná výroba. Možnost tisknout elektronické obvody na tiskacím zařízení progresivní technikou z role na roli obrovsky spoří náklady. Výroba ohebných produktů netradičních tvarů otevírá stále nové oblasti využití a potvrzuje, že žádná technika neumožňuje realizovat tolik inovačních úloh jako tištěná elektronika.

 

Vodivé plasty lze díky novým materiálům a metodám levně nanést tiskem na papír, textilie i plastové fólie. Tak vznikají mimořádně ploché, ohebné a popř. také transparentní elektronické komponenty pro nejrůznější použití v mnoha nejrůznějších oborech – v automobilovém průmyslu, farmaceutickém průmyslu, energetice, zábavní elektronice, obalové technice, osvětlení, displejů atd.

 

Z nepřeberného množství způsobů využití organické a tištěné elektroniky lze namátkově zmínit např. ohebné plastové fotovoltaické články, srolovatelné ohebné displeje a počítače, čtečky elektronických knih a časopisů, obvazy a náplasti s integrovanými snímači, tištěné ohebné baterie, inteligentní vodivé textilie, chytré obaly, které dokonce ukazují, jak čerstvé je zboží uvnitř, apod. První produkty, např. jednoduché senzory na polymerní bázi, elektronické čtečky knih, organické světelné diody (OLED) a štítky RFID jsou již stálicí na trhu a výroba mnohých dalších se intenzivně připravuje.

 

Základem je dobrá technika tisku

Elektronické obvody se tisknou na vhodné substráty tzv. vodivými barvami a inkousty na bázi organických nebo anorganických materiálů. Z anorganických materiálů jde zejména o částice kovů (stříbra, mědi, niklu, hliníku nebo i zlata či dalších) a oxidů kovů (mědi, zinku, titanu apod.), tzv. grafeny (uhlíková nanovlákna) a křemík. Z organických materiálů jsou to menší fotocitlivé molekuly nebo větší molekuly vodivých polymerů. Mezi zavedené výrobce vodivých barev patří nejen v polygrafii dobře známé velké firmy jako Sun Chemical, Toyo, DuPont, Agfa, ale i méně známí výrobci, jako je InkTec, Heraeus nebo NanoMac. Jako substráty se pro tištěnou elektroniku využívají především plasty typu PET (polyetylentereftalát), PEN (polyetylen naftalen) nebo PI (polyimid), využíván je ale i papír. K hlavním požadavkům patří průhlednost, velmi hladký povrch a tepelná odolnost substrátu.

 

Tištěnou elektroniku lze vytvářet mnoha technikami tisku: z konvenčních např. hlubotiskem, flexotiskem, ofsetem a plochým či především rotačním sítotiskem, z digitálních zejména tiskovou technikou (inkjet). Pro výrobní využití je třeba rozlišení tisku 10 až 500 μm, tloušťka natištěné vrstvy 10 až 10 000 nm, produktivita až 100 m2/s a kotoučový tisk z role na roli. Výrobou speciálních strojů pro tištěnou elektroniku, které se již objevují na trhu, se zabývají např. firmy Bosch-Rexroth (obr. 1), Bielomatik Leuze GmbH, Coatema Coating Machinery GmbH nebo Thieme GmbH. Jejich stroje obvykle kombinují několik tiskových technik, např. hlubotisk, inkjet a sítotisk, někdy i v kombinaci se značením laserem.

 

Inteligentní obal informuje zákazníka

Na rozvoji organické a tištěné elektroniky se aktivně podílejí odborníci z mnoha renomovaných výzkumných pracovišť a univerzit po celém světě. Velkému zájmu se těší zejména vývoj inteligentních obalů a chytrých identifikačních štítků, včetně těch pro RFID. Velmi dobrým příkladem jsou inteligentní obaly francouzské firmy Arjowiggins Creative Papers, ve kterých je integrována velmi tenká elektronika. Přiblíží-li se k vystavenému obalu zákazník s chytrým telefonem vybaveným možností komunikovat systémem NFC (Near Field Commmunication – systém rádiové bezdrátové komunikace na velmi krátké vzdálenosti), objeví se na displeji jeho mobilu podrobné informace o zabaleném produktu. Na jiných inteligentních obalech blikají LED, když je obal s výrobkem v obchodě vystaven v regálu, což upoutává pozornost kupujících.

 

Pro účely inteligentního balení jsou rovněž zajímavé chytré štítky od firmy Quad Industries z Belgie. Její štítky velikosti platební karty lze nalepit na obal. Během přepravy od výrobce k prodejci hlídají, zda u citlivých produktů nebyl např. porušen předepsaný teplotní režim. Zaznamenané údaje se ze štítku čtou čtečkou systému NFC. Na štítku je natištěna anténa i baterie dodávající energii pro křemíkový čip, který zaznamenává průběh teploty. Kombinace tištěné a klasické křemíkové techniky činí ze štítku hybridní systém, což je v tištěné elektronice trend budoucnosti.

 

Důležitým a hojně hledaným produktem jsou pružné elektrické články a baterie, které se tisknou osvědčenou technikou sítotisku. Například americká firma Imprint Energy Inc. tímto způsobem vyrábí baterie nové generace s označením Zinc Poly, které jsou nejenom dobíjecí, pružné a ultratenké, ale díky relativně velké hustotě energie jsou také dostatečně kapacitní a navíc velmi levné. Jde o zinkopolymerové akumulátorové baterie, v nichž anodu tvoří vrstva zinku, katoda je vyrobena z blíže nespecifikovaného oxidu kovu a mezi nimi je tuhý polymerový elektrolyt. V malém množství je lze vyrábět i na speciálně upravené tiskárně. Velkosériovou výrobu chce firma Imprint Energy zavést do dvou let s finanční podporou od výzkumné laboratoře americké armády ARL (US Army Research Laboratory). Baterie Zinc Poly jsou vhodné mj. jak k napájení chytrých štítků s vestavěnými senzory pro monitorování stavu kvality balených potravin a léčiv, tak i jako univerzální zdroj energie pro novou generaci nositelné elektroniky pro vojenské účely apod. (www.imprintenergy.com).

 

Zájem o displeje na bázi OLED rychle roste

K nejvýznamnějším produktům organické a tištěné elektroniky patří flexibilní organické světelné diody. Jsou to pokrokové, hospodárné a ekologické zdroje světla, které lze snadno vyrábět v nejrůznějších tvarech a které nabízejí zcela nové možnosti designu osvětlení a svítidel. Jejich vývojem a možnostmi použití se intenzivně zabývají odborníci Fraunhoferova střediska pro organickou elektroniku COMEDD (Center for Organics, Materials and Electronic Devices Dresden) v Drážďanech. Mimo jiné pro výrobu levných a flexibilních OLED ve velkých počtech vyvinuli speciální postup při použití tzv. flexotisku (technika tisku z výšky). V současné době v COMEDD v rámci Evropského projektu Gladiator (Graphene Layers: Production, Characterization and Integration) vyvíjejí OLED na bázi grafenu (supertenká forma uhlíku se strukturou podobnou grafitu), který by měl nahradit dosud používanou vzácnou slitinu oxidu inditého a oxidu cíničitého (obr. 2).

 

Zatímco na trhu s osvětlovací technikou OLED již zdomácněly, nově rychle pronikají i do oblasti mikrodisplejů (obr. 3), minidisplejů a velkoplošných displejů pro TV, zejména díky jejich snadné výrobě použitím tisku na pevné i pružné plastové podklady nejrůznějšího tvaru a snadnému použití bez nutnosti nasvícení pozadí. Známá jihokorejská firma LG představila v roce 2015 prototyp pružného displeje s úhlopříčkou délky 18", asi 46 cm), který lze srolovat do ruličky o průměru 3 cm. Slabým místem je zatím jeho rozlišení 1 280 × 810 obrazových bodů, což je méně, než jaké jsou současné standardy. Nejpozději do roku 2017 chce firma LG vyvinout a zavést do výroby ohebný displej s ultravysokým rozlišením (Ultra HD) s úhlopříčkou 60" (asi 152 cm). Podle analýzy materiálových a výrobních nákladů se očekává, že cena displejů sestavených z OLED ze současných 3 000 USD/m2 klesne tak, aby pro maloplošné displeje byla do roku 2016 srovnatelná s cenou displejů typu LCD, což povede ke vzrůstu celkového ročního obratu na trhu s displeji OLED na téměř 11 miliard amerických dolarů v roce 2017. Podle odhadu je v současnosti roční obrat na světovém trhu s displeji typu LCD větší než 100 miliard amerických dolarů, takže každá nová technika, která může s technikou LCD soutěžit, má příležitost se na tomto obrovském trhu podílet.

 

Mezinárodní odborný veletrh LOPEC

S aktuálními novinkami v oboru organické a tištěné elektroniky se mohli zájemci seznámit na mezinárodním odborném veletrhu LOPEC (Large-area, Organic & Printed Electronics Convention), který asociace OE-A (viz rámeček) každoročně pořádá společně s veletržní společností Messe München International v Mnichově. Letos se tento významný veletrh organické a tištěné elektroniky konal ve dnech 5. až 7. dubna již poosmé. Inovační a perspektivní produkty z oboru tištěné a organické elektroniky vystavovalo na veletrhu LOPEC 2016 celkem 148 vystavovatelů z osmnácti zemí. Tematicky byl veletrh zaměřen zejména na čtyři obory: automobilový průmysl, inteligentní obalovou techniku, zábavní elektroniku (obr. 4) a nositelnou elektroniku (obr. 5). Poprvé byli na veletrhu zastoupeni výrobci z Indie, Španělska a Jižní Koreje. Veletrh spojený s odborným kongresem se obrací na uživatele, inženýry, vědce, výrobce i investory a letos ho navštívilo více než 2 000 zájemců ze 40 zemí. Více než polovina odborných návštěvníků přijela ze zahraničí, zejména z USA, Japonska, Francie a Spojeného království. V rámci doprovodného kongresu LOPEC přednesli odborníci z 27 zemí celkem 196 odborných přednášek a referátů, tematicky rozdělených do tří sekcí jednotlivě věnovaných obchodu, technickým aspektům a vědě. S vynikajícími přednáškami mezinárodně renomovaných vědců, jakými jsou prof. Henning Sirringhaus z univerzity v Cambridge nebo prof. Jun Takeya z univerzity v Tokiu, kongres splnil i vysoké požadavky účastníků z řad vědeckých pracovníků a potvrdil svou vynikající odbornou úroveň. Podrobnější informace o veletrhu LOPEC 2016 a doprovodném kongresu lze nalézt na adrese www.lopec.com.

 

Závěr

Průmyslové odvětví organické a tištěné elektroniky hledí do roku 2016 s optimismem. Asociace OE-A očekává v roce 2016 vzrůst celkového obratu v odvětví o 11 %. Vyplynulo to z jejího posledního dotazníkového průzkumu obchodního klimatu v odvětví. Podrobné výsledky průzkumu prezentoval prezident asociace OE-A Dr. Stephan Kirchmeyer na mezinárodním veletrhu s tím, že nárůst obratu o 11 % je pro odvětví vynikající číslo, zejména když zahrnuje všechny oblasti od výrobců materiálů až po konečné uživatele a všechny hlavní regiony, tj. Evropu, Asii a Ameriku. Vyhlídky na růst tržeb se pozitivně odrážejí také v dalších odpovědích respondentů. Podniky nadále hodlají investovat do rozšíření a modernizace výroby a dobrá třetina jich má v úmyslu investovat více než vloni. Velmi příznivé jsou také šance pro vznik nových pracovních příležitostí v odvětví: nové pracovníky chce letos přijmout 35 % podniků. Mimořádně velký je zájem o pracovníky s vyšší kvalifikací pro posílení výzkumu a vývoje. Rovněž výhled do budoucnosti je optimistický a více než 80 % respondentů je přesvědčeno, že odvětví organické a tištěné elektroniky v příštích letech nadále rychle poroste. Návštěvníci se o tom budou moci přesvědčit na příštím mezinárodním veletrhu LOPEC 2017, který se uskuteční ve dnech 28. až 30. března 2017 opět na výstavišti v Mnichově.

 

Literatura:

[1] Gedruckte Elektronik ist Schlüsseltechnologie der Zukunft. Pressemitteilung OE-A: LOPEC 2016 (Schlussbericht), 7. 4. 2016.

[2] KABEŠ, K.: Organická a tištěná elektronika dobývají svět. Automa, 2011, roč. 17, č. 2, s. 54–55.

Ing. Karel Kabeš

 

O asociaci OE-A

Asociace OE-A (Organic and Printed Electronics Association) je vedoucí mezinárodní průmyslový svaz pro organickou a tištěnou elektroniku, který reprezentuje celý řetězec tvorby hodnot v tomto novém odvětví elektronického průmyslu. Jejími členy jsou významné mezinárodní firmy a výzkumně vývojové organizace, výrobci strojů, elektroniky a materiálů, ale i koneční uživatelé. Více než 230 firem z Evropy, Severní Ameriky, Asie a Austrálie spolupracuje v asociaci na vybudování a podpoře konkurenceschopné infrastruktury pro efektivní výrobu organické a tištěné elektroniky. Asociace OE-A byla založena v roce 2004 jako pracovní skupina ve Svazu německých výrobců strojů a výrobních zařízení VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau), aby vytvořila most mezi vědou, výrobou a uživateli. Podrobnější informace lze nalézt na adrese www.oe-a.org.

 

Obr. 1. Moderní zařízení pro kontinuální tisk z role na roli (foto: Bosch-Rexroth)

Obr. 2. Ve Fraunhoferově středisku COMADD jsou vyvíjeny OLED na bázi grafenu (foto: Fraunhofer FEP)

Obr. 3. Mikrodisplej z OLED s rozlišením 320 × 240 obrazových bodů a úhlopříčkou délky 0,6“ (foto: Fraunhofer FEP)

Obr. 4. Kuriózní „chytré“ tričko s integrovanou interaktivní hrou od firmy NovaCentrix & Eurecat (foto: NovaCentrix & Eurecat)

Obr. 5. Inteligentní náramek Wove Band s pružným displejem od firmy Polyera (foto: Polyera)