Układy elastyczne - nowa dziedzina elektroniki

Dotychczasowa wydajność elektroniki elastycznej była jednak niewystarczająca, a aplikacje tego typu niemożliwe do wykonania. Dopiero nowa technologia zaprezentowana na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign (UIUC) być może pozwoli inżynierom zapomnieć o obecnych ograniczeniach. Wykonane w tej technologii obwody mają długie i cienkie ścieżki połączeniowe. W procesie produkcji wykorzystywane są techniki konwencjonalne, a także standardowe półprzewodniki (krzem, arsenek galu), które przenosi się na rozciągnięte podłoże elastyczne.

Ścieżki połączeniowe wykonane tym sposobem są na tyle cienkie, że mogą wyginać się bez złamania. Jeśli są prawidłowo zaprojektowane, mogą wyginać się w wyniku ściskania oraz spłaszczać na skutek rozciągania. Tym samym możliwe stało się wykonanie elastycznego układu elektronicznego przy użyciu technik konwencjonalnych (rys. 1).

Technologia grupy badawczej UIUC bazuje na połączeniu produkcji półprzewodnikowej z technikami konwencjonalnej fotolitografii, a jej komercjalizacją zajmuje się firma Semprius. Zaletą tej technologii jest wykorzystywanie znanych materiałów i technik procesowych, co pozwala na osiągnięcie wydajności na poziomie klasycznych układów półprzewodnikowych przy ponad stuprocentowej odkształcalności.

Kolejną zaletą jest możliwość całkowitego wykorzystania istniejących fabryk oraz całej dotychczasowej wiedzy z dziedziny elektroniki. Według analityków, technologia ma szansę na znalezienie swojego miejsca na rynku i może stać się kluczowa w tworzeniu układów elastycznych o przynajmniej średniej wydajności. Według naukowców z UIUC, jest to jedna z technologii służących zwiększeniu efektywności technik półprzewodnikowych w wybranych dziedzinach.

Elastyczne, ale nie plastyczne

Najbardziej znaną metodą tworzenia elektroniki elastycznej jest drukowanie ścieżek układów bezpośrednio na materiałach plastycznych wykonanych na bazie węgla. Docelową aplikacją jest tu e-papier, znajdujący się obecnie w fazie komercjalizacji. Technologia ta wciąż jednak napotyka problemy, gdyż opiera się na materiałach organicznych, zapewniających znacznie gorszą wydajność niż półprzewodniki. Materiały te są giętkie, jednak ich elastyczność jest znikoma: mogą się zginać, ale nie mogą rozciągać. Innym podejściem jest wytworzenie układów w technice konwencjonalnej, a następnie zmniejszenie ich masy i sztywności.

Jednak w takiej sytuacji niemożliwe staje się rozciąganie, a zginanie jest bardzo ograniczone. Kolejną opcją jest integracja małych układów scalonych na powierzchni elastycznej i późniejsze utworzenie ścieżek połączeniowych. Mimo że zapewnia to odpowiednią elastyczność i wydajność, wymaga przejścia przez wiele niekonwencjonalnych i kosztownych etapów produkcyjnych. Podejście naukowców z UIUC opiera się na uelastycznieniu półprzewodników z natury łamliwych, takich jak np. krzem czy arsenek galu, dzięki osadzeniu ich w postaci bardzo cienkich warstw.

Elastyczność umożliwia wykorzystanie trzeciego wymiaru, a półprzewodniki elastyczne mogą być rozciągane, tym samym wykorzystując lepsze właściwości elektroniczne. Jednak podejście UIUC nie skupia się na wykorzystaniu tych lepszych właściwości, ponieważ grupa badawcza za najistotniejszą cechę uważa elastyczność. Zupełnie inaczej podchodzą do tego naukowcy produkujący znacznie bardziej wyrafinowane urządzenia w skali mikro- i nano- przez tworzenie naprężonych warstw, które po ustaniu naprężenia formują złożone struktury trójwymiarowe.

Według naukowców z UIUC, najważniejszym osiągnięciem grupy jest uzyskanie możliwości łączenia fragmentów krzemowych w postaci struktury hemisferycznej. Zespół UIUC przy współpracy z Uniwersytetem Northwestern poczynił znaczące postępy także w czołowych dziedzinach mechaniki teoretycznej, jak mechanika zginania i geometria odkształceń.

Zespół przeprowadził szczegółowe badania doświadczalne w zakresie odkształcalnego krzemu, które wykazały błędne założenia we wszystkich wcześniej znanych podejściach teoretycznych do zagadnień odkształcania materiałów sztywnych umieszczonych na podłożach podatnych na odkształcanie.

Potencjalne zastosowania

Głównymi przykładami zastosowań elektroniki elastycznej są urządzenia inspirowane biologicznie oraz produkty biomedyczne (rys. 3). Do obu tych grup zalicza się układy o wyglądzie struktur biologicznych, których natura całkowicie różni się od sztywnej i płaskiej płytki półprzewodnikowej. W obszarze biomedycznym UIUC prowadzi badania nad sensorami elektronicznymi, które będą umieszczane wewnątrz złożonej i krzywoliniowej przestrzeni ludzkiego mózgu. Celem grupy, współpracującej z centrum medycznym Uniwersytetu Pensylwanii jest stworzenie układu, który byłby w stanie wykryć atak u osoby chorej na padaczkę, jeszcze zanim ten atak wystąpi.

Według analityków, technologia UIUC ma dużą szansę powodzenia i okaże się dochodowa dla inwestorów. W przyszłości elastyczne układy elektroniczne będą niezbędne do rozbudowy, zastąpienia lub monitoringu funkcji biologicznych. Ze względu na starzenie się społeczeństwa oraz potrzebę leczenia wielu chorób, istnieje duży rynek na tego typu rozwiązania. Inne potencjalne zastosowania to monitorowanie stanu konstrukcji oraz elektronika mobilna.

Analitycy zauważają jednak pewne zagrożenia związane z elektroniką elastyczną. Dużym problemem może być bezwładność przemysłu. W branży półprzewodnikowej popularne jest powiedzenie, że jeśli istnieje możliwość wykonania czegoś z krzemu, to zostanie to wykonane z krzemu.

Co więcej, zalety nowej technologii mogą zostać zbilansowane przez wyższe koszty związane z bardziej skomplikowanym procesem produkcji, różniącym się od zwykłego drukowania ścieżek na podłożu z tworzywa sztucznego. Jednak Carmichael Roberts, główny inwestor w technologię opracowywaną przez UIUC, wiąże z nią duże nadzieje.

Grzegorz Michałowski