Materiały elektroniczne stają się coraz inteligentniejsze

Materiały są podstawowym elementem napędzającym przemysł elektroniczny i zgodnie z raportem firmy analitycznej BCC (Business Communications Company) stają się coraz „inteligentniejsze” - na przykład na warunki zewnętrzne. Materiały termoczułe (thermoresponsive) – czasami nazywane stopami pamiętającymi kształt – mogą przyjmować różne kształty dla różnych temperatur. Kryształy piezoelektryczne i ceramiczne generują niewielki ładunek elektryczny, gdy są ściskane bądź rozciągane. Efekt ten działa również i w drugą stronę – materiał piezoelektryczny zmienia swój kształt w odpowiedzi na przepływający przez niego prąd elektryczny.

Inteligentne materiały posiadają funkcje odczytu i pobudzenia, które są stosowane do ciągle wzrastającej liczby zastosowań technicznych i powszechnego użytku. Obecnie zastosowania materiałów inteligentnych obejmują większość sektorów przemysłowych, w tym elektronikę, diagnostykę medyczną, lecznictwo i chirurgię, przemysł samochodowy oraz badania przemysłowe wymagające nadzoru i fizycznych odczytów. W rzeczywistości badania BCC sugerują, że pieniądze wydawane na produkty, które wykorzystują inteligentne materiały będą wzrastać nieznacznie wolniej od ilości pieniędzy wydawanych na badania samych materiałów.

Jakie są więc najbardziej współcześnie pożądane materiały i jak mogą one posunąć elektronikę do przodu? Piezoelektryki nadal pozostają materiałami niezbędnymi w przemyśle elektronicznym. Są one stosowane w produkcji zintegrowanych generatorów impulsów zegarowych. Są także niezbędne przy produkcji filtrów w.cz., które są niezbędne w urządzeniach bezprzewodowych.

Ponieważ obwody elektroniczne ciągle ulegają coraz większej miniaturyzacji, to komponenty piezoelektryczne podlegają nieustannemu rozwojowi. Na przykład firma Avago zdobywa klientów w obszarze komunikacji bezprzewodowej dzięki jej wydajnym filtrom i duplekserom MEMS. Z kolei kilka przedsiębiorstw opracowało niewielkie silniki piezoelektryczne, które pozwolą na realizowanie funkcji zbliżania i autoogniskowania w telefonach komórkowych wyposażonych w kamery.

Kurczące się urządzenia

Filtry i dupleksery znacznie zmniejszyły swoje rozmiary w ciągu lat pod silnym naciskiem uczynienia telefonów komórkowych mniejszymi i tańszymi. W późnych latach 90. ubiegłego wieku cienkie filtry SAW i dupleksery zaczęły wypierać masywniejsze składniki ceramiczne. Przełomem było pojawienie się na rynku filtru

BAW (Bulk Acoustic Wave) w postaci układu MEMS. Pierwszy duplekser przeznaczony dla CDMA (Code-Division Multiple Access) oparty na układzie BAW posiadał połowę rozmiaru zastąpionego filtru ceramicznego.

Inne zastosowanie – silnik piezoelektryczny – przewija się od końca lat 80. zeszłego stulecia. Istnieje wiele odmian wersji końcowej, ale wszystkie wykorzystują piezoelektryczne elementy pobudzające do generowania drgań ponaddźwiękowych w elemencie stacjonarnym, co powoduje ruch kolejnego elementu poprzez tarcie. 

Silniki piezoelektryczne stosowane są od lat do poruszania soczewkami autoogniskowania i przybliżania w wysokiej jakości kamerach SLR (Single-Lens Reflex), ale znowu ogromny rynek telefonów komórkowych daje silny bodziec do rozwoju tego piezoelektrycznego produktu. Miniaturyzacja krzemowa pozwala wytwórcom na zintegrowanie najbardziej czułych cyfrowych aparatów fotograficznych z telefonami komórkowymi. 

Lecz nawet największa liczba megapikseli nie jest w stanie skompensować braku funkcji autoogniskowania i przybliżania, jakie oferują nawet zwykłe niedrogie aparaty fotograficzne. Według producentów silników piezoelektrycznych takich jak New Scale Technologies, gdy rozmiary silników zeszły poniżej 5 milimetrów, silniki piezoelektryczne stały się bardziej dokładne i bardziej wydajne mocowo niż silniki elektromagnetyczne.

Mimo że firma Samsung już w 2004 roku zapowiedziała wprowadzenie na rynek niewielkiego modułu kamery telefonicznej z optycznym przybliżaniem sterowanej elementem piezoelektrycznym, a kilku innych producentów stworzyło prototypy modułów kamer telefonicznych sterowanych piezoelektrycznie, żaden z nich do dzisiaj nie przedstawił jeszcze wersji komercyjnej.

Dla nowych zastosowań materiałów piezoelektrycznych w przemyśle elektronicznym wywodzących się z przemysłu drzewnego, odbiór energii jest jednym z obiecujących sposobów wykorzystania pozostającym nieosiągalnym dla masowego użycia komercyjnego. Jednym z kuszących potencjalnych zastosowań dla tej technologii jest użycie jej jako źródła zasilania dla sieci czujników bezprzewodowych. W idealnym przypadku małe, niskomocowe czujniki mogą zostać rozmieszczone w miejscach trudno dostępnych i pozostawione tam na lata.

Ale scenariusz ten jest realny tylko w przypadku, gdy czujniki mają ciągłe źródło zasilania. Firmy takie jak Perpetuum i EnOcean pracują nad wynalezieniem źródeł zasilania opartych na piezoelektrykach, lecz żadnej z nich nie udało się osiągnąć szerszego sukcesu rynkowego. Jak dotychczas piezoelektryczne odbieranie energii pozostaje w fazie badań i prototypów.

Mimo iż są one jednymi z najstarszych typów materiałów przemysłu elektronicznego, piezoelektryki nie wykazują objawów odchodzenia w niebyt. A w niektórych gałęziach przeżywają powrót na scenę, ponieważ projektanci produktów ponownie odkryli ich nadzwyczajne możliwości. Przykładem są układy RFID, gdzie filtry SAW były krótko używane około 20 lat temu. Teraz, gdy przemysł elektroniczny skupił się na budowie niedrogich pasywnych urządzeń RFID, z których można prowadzić odczyt z rozsądnych odległości, niektóre z firm ponownie proponują rozwiązania oparte na technologii SAW.

Żaden inny inteligentny materiał nie jest w stanie dorównać znaczeniu piezoelektryków w przemyśle elektronicznym, ale dużą nadzieję pokłada się w materiałach elektrochromowych szczególnie, jeśli wierzy się w przyszłość wypełnioną małą, tanią i podatną na zginanie elektroniką. Materiały elektrochromowe zmieniają kolor w odpowiedzi na pole elektryczne. Obecnie podstawowym rynkiem materiałów elektrochromowych są okna, które można przyciemniać lub rozjaśniać w celu kontrolowania ilości światła wpadającego do budynku. 

Niektóre nowe samochody są wyposażane w lusterka wsteczne, które zmieniają zabarwienie w zależności od zewnętrznych warunków oświetlenia. Lecz dla przemysłu elektronicznego to, co najbardziej jest pociągające w materiałach elektrochromowych to ich potencjał jako odporna, niskorozdzielcza, ale niezwykle tania technologia wyświetlania.

W czołówce rozwoju wyświetlaczy elektrochromowych są obecnie trzy firmy: Aveso, Siemens i Ntera. Aveso skupia się na super tanich wyświetlaczach dla inteligentnych kart i znakowania produktów, a w firmie mówią, że wykonywane są próby wraz z kilkoma przedsiębiorstwami zajmującymi się kartami kredytowymi, chociaż nie ujawniono żadnych klientów. Siemens także skupił się na zastosowaniach dla opakowań i mówi, że jego produkty będą dostępne w 2007 roku. Ntera ogłosiła, że ma technologię bardziej kontrastowego wyświetlania i jej celem są takie produkty jak e-papier i urządzenia inteligentne, ale firma nie ujawniła żadnych odbiorców.

Przemysł elektroniczny notuje liczne przypadki wykorzystywania wrodzonych właściwości szerokiej gamy materiałów jako ich zalet. Na pewno piasek (jako krzem) nigdy nie był tak użyteczny jak dzisiaj. Inteligentne materiały dają przemysłowi czołową pozycję wyjściową, ponieważ już oddziaływują w potencjalnie pożyteczny sposób na siły zewnętrzne i można oczekiwać, że zapotrzebowanie na nie w następnych latach będzie rosło.

Arkadiusz Chłopik