Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Organická a tištěná elektronika dobývají svět

Článek na vybraných vývojových projek­tech ukazuje reálné možnosti, které na­bízí obor organické a tištěné elektroniky.
 
Organická a tištěná elektronika patří v sou­časné době k nejrychleji rostoucím odvětvím elektronického průmyslu. Organická či přesně­ji polymerní elektronika, pro niž se vžívá ozna­čení polytronika, využívá vodivé plasty na bázi polythiofenů, polyfluorenů apod. Jejím zákla­dem jsou vodivé polymery objevené v roce 1977, za jejichž objev získali A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid a H. Shirakawa v roce 2000 Nobelovu cenu. Zájem o organickou a tištěnou elektroniku po celém světě enormě roste a vyvolává velké investice do výstavby nových výrobních linek. Podle amerického institutu pro vý­zkum trhu IDTech-Ex bylo v roce 2009 na světovém trhu s organic­kou a tištěnou elektroniku dosa­ženo ročního obratu asi tři miliar­dy amerických dolarů. Odhaduje se, že tento obrat vzroste do roku 2015 na asi patnáct a do roku 2025 na gigantických 250 miliard dola­rů. Očekává se, že organická elek­tronika v budoucnu ovlivní všech­na hospodářská odvětví, přičemž do některých vnese změny dokon­ce převratné.
 
Organická elektronika je progre­sivní moderní technika kombinující plasty s elektronikou. Kombinace nových vo­divých materiálů – většinou na bázi polymerů – s postupy hromadné výroby, jako je techni­ka plošného a zejména kontinuálního rotačního tisku (na pružné fólie odvíjené z rolí), umož­ňuje v masovém množství velmi levně vyrá­bět tenké a lehké elektronické komponenty na pružném substrátu. Z nepřeberného množství způsobů využití organické elektroniky lze zmí­nit např. srolovatelné displeje a počítače, elek­tronické časopisy a knihy, obvazy a náplasti s integrovanými senzory, inteligentní textilie, svíticí tapety, ohebné plastové fotovoltaické články, lékařské diagnostické přístroje pro jed­no použití, obaly indikující, nakolik čerstvé je zboží uvnitř, apod. První produkty, např. jed­noduché snímače na polymerní bázi (obr. 1), elektronické čtečky a organické světelné dio­dy (OLED), již přicházejí na trh a mnohé další jsou intenzivně připravovány do výroby.
 

Monitorovací náramek pro sledování tělesných funkcí

 
Na rozvoji organické a tištěné elektroniky se velmi aktivně podílejí odborníci z Fraun­hoferovy společnosti. V mnoha jejích ústa­vech se vyvíjejí a připravují k brzkému uve­dení na trh nové produkty na bázi tištěné po­lymerní elektroniky. Ve Fraunhoferově ústavu pro spolehlivost a mikrointegraci IZM (Insti­tut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration) v Mnichově byl např. vyvinut monitorovací náramek pro sledování důležitých tělesných funkcí především starších a nemocných pa­cientů, ale také výkonných sportovců. Mo­nitorovací náramek vzhledem připomíná ná­ramkové hodinky z plastu (obr. 2). Namísto obvyklého ciferníku má však elektrolumi­niscenční displej, který kdykoliv během dne např. ukazuje aktuální tělesnou teplotu. Může také měřit vlhkost pokožky, která indikuje, zda je v těle sledované osoby dostatek vody. Pacienty s implantovaným kardiostimulá­torem může monitorovací náramek upozor­nit na možná ohrožení a informovat je o síle elektrických nebo elektromagnetických polí v nejbližším okolí. Monitorování lze snadno rozšířit na další měřitelné veličiny (krevní tlak, tepová frekvence atd.), protože na po­lytronické platformě lze podle potřeby inte­grovat nejrůznější senzory.
 
Z technického hlediska představuje moni­torovací náramek kombinaci polymerní a klsické elektroniky. Světelné prvky, senzory a polymerové rezistory natištěné na fóliích jsou zde zkombinovány s integrovanými ob­vody na křemíkovém substrátu v jeden sys­tém. Například rezonanční obvod o tloušťce pouhé 3 mm s vyleptanou cívkou a speciální miniaturní anténou snímá elektrický smog. Kondenzátor tloušťky jen 30 μm vytvořený jako interdigitální struktura natištěná na fó­lii zjišťuje vlhkost pokožky. Hřebenovité, do sebe vložené meandry vytvořené z měděných drah šířky jen 0,5 μm měří teplotu těla. Nepa­trné senzory a optické prvky jsou vytvořeny na fólii kombinací různých tiskových technik. Monitorovací náramek názorně demonstruje obrovské možnosti nabízené organickou elek­tronikou natištěnou na fólii.
 

Diagnostický systém hluboké žilní trombózy

 
Jenom v Německu je ročně postiženo asi 80 000 lidí ucpáním žilního řečiště krevní sra­ženinou, která může následně způsobit plic­ní embolii nebo cévní mozkovou příhodu. Ty, kdo k tomu mají dispozice, může hluboká žil­ní trombóza v dolní končetině postihnout při dálkových cestách autobusem nebo letadlem. Možnou dispozici u cestujícího by měl v bu­doucnu z kapky krve zjistit přenosný diagnos­tický systém pro posouzení přítomnosti krev­ní sraženiny. Na jeho vývoji pra­cuje v rámci evropského projektu s názvem Diagnosing dvt osm ve­doucích evropských výzkumných ústavů a high-tech firem.
 
Klíčovou součástí vyvíjeného diagnostického systému je analy­zátor krve typu tzv. laboratoře na čipu (lab-on-chip), který vyvinuli a v současné době ověřují pracov­níci Fraunhoferova ústavu IZM. Jde o malou, velmi přesně vyro­benou nevratnou kapsli umožňu­jící biochemicky vyšetřit kapku krve. Základem přístroje je des­tička z polykarbonátu s rozmě­ry 3 × 22 × 70 mm nesoucí dvě hlavní komponenty přístroje, jimiž jsou fólie tloušťky 150 μm s natištěnou jem­nou sítí vodivých drah a senzorů pro analýzu krve a fluidní kanálky o hloubce 120 μm pro přívod krve k senzorům (obr. 3). V senzorech jsou na speciálních nanoelektrodách umístě­ny imunoglobuliny (protilátky) umožňující stanovit koncentraci biomarkerů krevní sra­ženiny. Při větší koncentraci existuje u paci­enta nebezpečí vzniku krevní sraženiny. Mi­niaturní laboratoř na čipu lze zhotovit tiskem na fólii, což dovolí vyrábět levné diagnostické komponenty na jednorázové použití.
 
Odborníci předpokládají, že nový diagnos­tický systém se stane důležitým životním prů­vodcem nejenom cestujících ohrožených při dálkových letech trombózou nebo pacientů ohrožených cévní mozkovou příhodou, ale také kuřáků, těhotných žen či osob s nadvá­hou. Nebudou již muset chodit na odběr krve do laboratoře a několik dní čekat na výsle­dek rozboru. Podobně jako při měření hladi­ny cukru v krvi postačí vložit kapku pacien­tovy krve do nevratné kartuše, kterou lékař zasune do malé, snadno ovladatelné čtečky. Během pár minut se na displeji zobrazí vý­sledek testu, a bude-li to nutné, bude možné ihned zahájit léčbu.
 

Organické fotovoltaické články

 
Ohebné organické fotovoltaické články patří podle nedávné analýzy provedené fir­mou IBM k pěti výrobkům, které by v pěti příštích letech mohly výrazně změnit způsob, jak lidé pracují a žijí. Výsledky analýzy, která vychází ze situace na trhu, ze společenských trendů a aktuálních projektů ve vývojových odděleních IBM, předpovídají v nadcházejí­cích letech razantní rozvoj organické fotovol­taiky po celém světě. Organické fotovoltaic­ké články používají pro přeměnu slunečního světla na elektrickou energii místo obvyklého křemíku levné organické polovodiče na bázi polymerních materiálů, které velmi účinně absorbují světlo. Díky tomu stačí k absorp­ci světla jejich mimořádně tenká vrstva, a to znamená menší spotřebu materiálu, menší hmotnost a nižší cenu. Fotovoltaické člán­ky z organických polovodičů lze navíc vel­mi levně vyrábět ve velkých rozměrech ro­tačním tiskem na pružné a ohebné fólie, což výrazně rozšiřuje možnosti jejich použití ze­jména na nerovných a složitě tva­rovaných plochách. Nedostatkem organických fotovoltaických člán­ků je zatím jejich malá účinnost mezi 3 až 5 % a pokles jejich vý­konu s časem.
 
Odborníci ve Fraunhofero­vě ústavu pro solární energetic­ké systémy ISE (Institut für Sola­re Energiesysteme) ve Freiburgu proto nyní intenzivně pracují na zvýšení účinnosti a dlouhodobé stability organických fotovoltaic­kých článků jako na předpokla­du pro jejich úspěšnou komerci­alizaci. Ve standardním provedení se organický solární článek vy­rábí s použitím skleněného sub­strátu opatřeného tenkou průhled­nou vrstvou směsného oxidu in­dia a cínu (In2O3Sn), tzv. vrstvou ITO (indium tin oxide). Indium je však vzácné a drahé. Pracovníkům ústavu ISE se podařilo vyvinout nový ohebný fotovoltaický článek, v němž funkci vrstvy ITO zastá­vá průhledná polymerová elektro­da v kombinaci se strukturovaný­mi kovovými elektrodami (obr. 4).
 
Předpokládá se, že ohebné fo­tovoltaické články na bázi poly­merů by již za několik let moh­ly napájet mobilní telefony, i-pody a jiné hromadně používané přenosné přístroje. Ve vzdálenější budoucnosti by se tyto články mohly stát součástí našeho oblečení posky­tující energii např. pro notebook a další za­řízení. Tenkou fólií vyrábějící solární proud bude možné opatřit také rolety a markýzy, ale třeba i slunečníky, stany, lodní plach­ty apod., a tím otevřít další zcela nové ob­lasti využití fotovoltaiky obzvlášť k napáje­ní energeticky soběstačných senzorů a řídi­cích mikrosystémů.
 

Tištěné elektrické články

 
Zajímavým výrobkem jsou tištěné elek­trické články vyvinuté pracovníky Fraunho­ferova ústavu pro elektronické nanosystémy ENAS (Elektronische Nanosysteme) ve spo­lupráci s TU Chemnitz a firmou Menippos GmbH. Tištěný článek má hmotnost menší než 1 g a tloušťku necelý 1 mm a neobsahu­je rtuť, takže je šetrný k životnímu prostředí (obr. 5). Základní článek má standardní napětí 1,5 V a lze vytvořit baterii ze čtyř článků za­pojených do série. Nový elektrický článek se skládá ze zinkové anody oddělené od katody z oxidu manganičitého (MnO2) vrstvami elek­trolytu a vrstvou separátoru. Zinek a mangan spolu reagují a vytvářejí elektrický proud. Při této chemické reakci se však anodová a kato­dová vrstva postupně spotřebovávají. Článek má tudíž jen omezenou dobu použití a nelze ho znovu nabíjet. Je vhodný do elektronických pohlednic, čipových platebních karet s omeze­nou platností, pro napájení různých druhů do­časných senzorů např. k měření tělesných funk­cí, pro jednorázové „laboratoře na čipu“ apod.
 
Články se tisknou osvědčenou technikou sítotisku, umožňující nanášet poměrně velká množství tiskové pasty po vrstvách o tloušťce, asi jako má lidský vlas. První komerčně využi­telné prototypy by měly být k dispozici koncem roku 2010. Odborníci z ústavu ENAS předpo­kládají, že při hromadné výrobě by cena člán­ku neměla překročit několik málo euorocentů.
 

Asociace organické elektroniky

 
S aktuálními novinkami v oblasti organické a tištěné elektroniky se mohli zájemci sezná­mit na druhé mezinárodní konferen­ci a výstavě LOPE-C (Large-area, Organic and Printed Electronics Convention) ve dnech 31. května až 2. června 2010 ve Frank­furtu nad Mohanem. Třídenního jednání se zúčastnilo 850 odborní­ků, kteří vyslechli na 180 odbor­ných prezentací a na výstavní plo­še 1 200 m2 si mohli prohlédnout expozice 89 vystavovatelů z celého světa. Akci uspořádala asociace or­ganické elektroniky OE-A (Organic Electronics Association), což je pra­covní skupina německého odborné­ho svazu VDMA, která v Německu koordinuje rozvoj organické a tiš­těné elektroniky po odborné stránce. Asociace, založená v roce 2004 za účelem vytvořit most mezi vědeckou sférou, techniky a uži­vateli, má nyní 140 členů z 21 zemí. Počet je­jích členů za poslední rok vzrostl o 26 %. Příš­tí konference a výstava LOPE-C se uskuteční 28. až 30. června 2011.
 
[NIESSING, B.: Smarte Kunststoffe und flexi­ble Chips. Das Fraunhofer Magazin, 2009, č. 3, s. 8–12.]
Ing. Karel Kabeš
 
Obr. 1. Tištěný polymerový snímač teploty (foto: Fraunhofer ISC)
Obr. 2. Monitorovací náramek pro sledování důležitých tělesných funkcí (foto: Fraunhofer IZM)
Obr. 3. Diagnostická komponenta pro posouzení přítom­nosti krevní sraženiny (foto: Fraunhofer IZM)
Obr. 4. Ohebný fotovoltaický článek na polymerové bázi (foto: Fraunhofer ISE)
Obr. 5. Tištěná baterie má hmotnost menší než 1 g a tloušťku menší než 1 mm (foto: Fraunhofer ENAS)