L ELETTRONICA ORGANICA

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1 L ELETTRONICA ORGANICA

2 Indice 1. Introduzione Cosa è l elettronica organica Visione di insieme: Elementi chiave dell elettronica organica APPLICAZIONI: stato dell arte e prospettive future Applicazioni top Conclusioni

3 1. Introduzione 1.1 Cosa è l elettronica organica L elettronica organica è un termine usato per identificare una gamma completa di prodotti, che comprende semiconduttori basati su materiali sintetici, display, unità di stoccaggio, sensori e sistemi fotovoltaici organici. Negli ultimi anni, l interesse nei confronti dell elettronica organica è enormemente cresciuto sia a livello di ricerca accademica che industriale, influenzando ogni ramo dell economia. La sua crescente diffusione sta producendo effetti molto positivi sui fornitori di componenti elettronici, materiali di base, attrezzature e strumenti di produzione, oltre che su istituti di ricerca, integratori di sistemi e costruttori di attrezzature terminali. I primi prodotti, come giochi o libri elettronici, fabbricati usando l elettronica organica, sono apparsi sul mercato nel Altri tipi di prodotti, come telefoni cellulari dotati di un display avvolgibile, celle solari flessibili, cartellini a radiofrequenza, entreranno sul mercato a breve termine, sottolineando che l elettronica organica sta muovendosi molto velocemente dalla ricerca verso la produzione. Questa nuova tendenza della ricerca e della economica è conseguenza del vantaggio dell elettronica organica, rispetto all inorganica, che consiste nella realizzazione di dispositivi su film sottili e flessibili, su larga area e a bassi costi di realizzazione e produzione, sfruttando quelle che sono le caratteristiche chimiche e meccaniche dei materiali utilizzati, oligomeri e polimeri organici coniugati. Gli elementi chiave della competitività e vantaggio dell elettronica organica sono tre: le tecniche di produzione, i substrati e le tecniche di deposizione. Questi tre elementi sono fortemente interconnessi tra di loro, e la variazione di uno dei tre, comporta la riformulazione degli altri due. E quindi necessario che tutti e tre gli elementi siano in costante sviluppo e vengano costantemente testati in combinazione. Questo comporta che nell elettronica organica, ed è questa la sua principale innovatività, le competenze messe in gioco per la produzione di un sistema elettronico, siano diverse e in diverse settori, come schematicamente riportato nella figura 1. Figura 1 3

4 Fonte: IDTechEx Il dialogo e la creazione di alleanze tra compagnie di diversi settori - chimico, elettronico, polimeri, plastica, stampa, ecc - è necessariamente stimolato al fine di realizzare ed immettere nel mercato prodotti notevolmente competitivi, non solo in termini economici, di performance, di durata di vita, ma anche in termini di impatto ambientale. Le tecnologie usate per la stampa e per la produzione di sistemi elettronici organici sono tutte a basso impatto ambientale, richiedono condizioni meno spinte a livello energetico delle tecnologie usate per il silicio. 4

5 1.2 Visione di insieme: Elementi chiave dell elettronica organica Le caratteristiche principali dell elettronica organica, migliore perfomance e bassi costi di produzione, risiedono nei materiali, e nella tecnologia di stampa che si utilizza per fabbricare il dispositivo. MATERIALI I materiali usati nell elettronica organica sono conduttori, semiconduttori, dielettrici, luminescenti, elettrocromici o elettroforetici. I materiali devono essere accuratamente scelti dal momento che le condizioni del processo possono influenzare enormemente la performance del dispositivo. La questione se i materiali organici siano meglio degli inorganici è tuttora aperta; l elettronica organica è ancora una tecnologia giovane e c è ancora bisogno di molta ricerca perché si possa arrivare ad una risposta. Il gap viene oggi risolto con sistemi ibridi che combinano organico con inorganico. Tuttavia, i semiconduttori organici sono molto diffusi perché la maggior parte vengono processati da soluzione o possono essere stampati, riducendo i costi di produzione. Le proprietà dei semiconduttori organici legate al trasporto di carica sono influenzate dalle condizioni di deposizione, oltre che dal tipo di tecnica usato per la deposizione stessa. La maggior parte dei semiconduttori attualmente in uso sono di tipo p, ma iniziano a farsi strada anche i conduttori di tipo n. Nell ultimo decennio l elettronica legata ai materiali organici semiconduttori è stata oggetto di un crescente interesse nel settore della ricerca, soprattutto per quanto riguarda l applicazione di questi materiali a dispositivi su larga area, dove l impiego di semiconduttori tradizionali come il silicio diventa economicamente critico al crescere delle dimensioni. Alcuni esempi di queste applicazioni si possono trovare nei display per sistemi multimediali portatili oggi in commercio (lettori mp3, autoradio). Le caratteristiche vantaggiose dei semiconduttori organici (divisi in due categorie: polimeri e small molecule) sono principalmente legate a tre aspetti. 1. La possibilità di sintetizzare materiali ad hoc per una specifica applicazione, superando quindi i limiti intrinseci dei materiali finora utilizzati; 2. La capacità di trattare i semiconduttori organici, soprattutto alcuni tipi di polimeri, con tecniche di lavorazione semplici ed economiche come lo spin-coating, che non richiedono condizioni di alto vuoto o temperature di lavorazione estremamente elevate, condizioni richieste invece dal silicio; 5

6 3. Una flessibilità intrinseca sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche, che consentono di realizzare dispositivi su substrati flessibili, sia per quanto riguarda una certa flessibilità nel progettare e realizzare sistemi ibridi in cui vengono impiegati assieme materiali organici ed inorganici. Tuttavia, siamo ancora lontani dal sostituire completamente il silicio, perché la mobilità della carica all interno dei semiconduttori è inferiore a quella del silicio cristallino; raggiunge, oggi, quasi i valori del silicio amorfo e potrebbe facilmente raggiungere nei prossimi anni quella del silicio policristallino. La tendenza quindi dell elettronica organica non è quella, almeno per il momento, di sostituire l elettronica basata sul silicio. Piuttosto, amplia la gamma di applicazioni grazie alle sue proprietà specifiche e a costi di produzione bassi molto interessanti. I sistemi elettronici basati su polimeri sono più sottili, leggeri e flessibili, estremamente resistenti agli urti, e possono essere utilizzati in molti modi in forma trasparente. Sono così possibili applicazioni insolite, ad esempio dispositivi diagnostici usa e getta, pannelli solari avvolgibili, carte da gioco interattive o confezioni con display pubblicitari. L elettronica dei polimeri è all avanguardia anche in termini di miniaturizzazione, ad esempio con i transistor nano-wire. Processori, unità di stoccaggio e sensori possono essere compattati in un unico componente da 10 nanometri in forma compressa. In questo modo, ad esempio, si possono produrre sensori dei fumi di scarico in grado di individuare le molecole una ad una e monitorare con esattezza il consumo di carburante di un auto. L elettronica basata su materiali sintetici fornisce diversi vantaggi. I circuiti integrati sono inseriti direttamente nel substrato mediante un processo chiamato Chip-in-Polymer (CiP). Questo non solo rende superflua la scheda per il circuito stampato, ma anche il filo metallico e le connessioni saldate che contengono piombo. Pertanto, i chip fabbricati con materiale sintetico risultano schermati verso l esterno e sono particolarmente adatti a impieghi nella telefonia mobile e nell automobilismo. TECNOLOGIE DI STAMPA L elettronica organica è stata rivoluzionata dallo sviluppo delle tecnologie di stampa, che hanno attratto grande interesse come tecnologie chiave per sfruttare completamente il potenziale dell elettronica organica parchè vantaggiose, considerando le piccole quantità di materiale su cui lavorano ed i tempi di produzione molto più veloci. Non c è, oggi, un singolo processo standard per la stampa, in quanto la scelta della tecnica e del processo è strettamente legato ai requisiti specifici del dispositivo che deve essere fabbricato. Inoltre poi, per la fabbricazione di un dispositivo a 6

7 multistrato, diversi processi devono essere usati in quanto ogni strato ha dei requisiti diversi da dover rispettare. Conduttori, sensori, display, sistemi di immagazzinamento di energia e di memoria, RFID, polimeri, ecc possono essere tutti stampati utilizzando le nuove tecnologie elettroniche. Tuttavia sistemi più complessi come i circuiti integrati potranno essere prodotti con le stesse tecniche di stampa solo con ulteriori sforzi e qualche anno in più di ricerca e sviluppo. Grande impegno viene, quindi, dedicato ad adattare i metodi di stampa convenzionali alla produzione elettronica. Ad esempio, già oggi le stampanti a getto d inchiostro possono emettere OLED (organic light emitting diodes), semplicemente aggiungendo polimeri luminescenti a un solvente che viene a sua volta applicato su un substrato di pellicola mediante microgetti, il tutto senza dover utilizzare tecnologie complesse e costose in camera bianca. Anche gli RFID possono essere prodotti con modalità simili in grandi volumi con costi unitari molto bassi. La Soft Lithography, permette, tramite l uso di micro-timbri realizzati con degli opportuni materiali plastici, di poter facilmente realizzare gli elettrodi attraverso un processo di timbratura. Si tratta quindi di una tecnica a basso costo e adatta per la realizzazione su larga area e su vasta scala non solo di singoli dispositivi, ma anche di vere e proprie matrici di dispositivi. Il tutto ha permesso quindi di poter realizzare dei dispositivi ad effetto di campo interamente organici e dalla struttura completamente flessibile e trasparente, quindi particolarmente adatti per applicazioni sensoristiche nel settore dei computer indossabili ed elettronica tessile. Prodotti elettronici stampati sono ora in produzione. Display a carta elettronica e antenne per RFID sono ora normalmente prodotti attraverso tecnologie di stampa e si aspetta che nel 2015 avranno un impatto economico di 12.6 bilioni di euro. Le tecnologie di stampa sembrano aver un ruolo importante anche come processo di manifattura per la prossima generazione di materiali fotovoltaici con nanoparicelle di inchiostro che saranno usate per creare pannelli solari a basso costo e altamente efficienti su substrati flessibili. 7

8 2. APPLICAZIONI: stato dell arte e prospettive future L elettronica organica è un campo molto complesso e diverse variabili, legate alla scelta dei materiali, alla tecnica di fabbricazione e alle performance finali del dispositivo sono messe in gioco, offrendo un infinito numero di applicazioni. Parte di queste applicazioni, riportate nella figura 2, sono state analizzate dall OE-A (Organic Electronics Association) sulla base delle tendenze della ricerca e del mercato delle maggiori aziende nel campo dell elettronica organica. Le applicazioni sono: Celle organiche fotovoltaiche Dispositivi di memoria stampati RFID stampati Batterie flessibili Sistema backplane O-TFT Sensori organici Oggetti smart. Figura 2 8

9 Fonte: OE-A 2007 Nella figura è riportato sull asse delle ascisse, la dimensione temporale valutata per introdurre il prodotto sul mercato. Sono stati dunque definiti per ognuna delle applicazioni, una serie di prodotti che si valuta possano entrare nel mercato a breve ( ), medio ( ) e lungo termine (oltre il 2015). Celle organiche fotovoltaiche Applicazione a breve termine: celle solari flessibili utilizzare per caricare le batterie dei cellulari. Applicazione a lungo termine: celle fotovoltaiche organiche sui tetti degli edifici, integrato nella reti elettriche. Dispositivi di memoria stampati Applicazione a breve termine: da dispositivo con piccole capacità di immagazzinamento per giochi, a memoria WORM (Write Once Read Many) con grandi capacità di immagazzinamento e NV-RAM (Random Access Memories) per il settore suono e video. RFID (radio frequency identification) stampati Applicazione a brevissimo termine: RFID per la protezione del marchio Applicazione a breve termine: Cartellini RFID per automazione e sistemi di logistica Applicazione a lungo termine: RFID come codice elettronico di prodotto in sostituzione del codice a barre Batterie sottili e flessibili Disponibili oggi per uso discontinuo, ma stanno migliorando nella capacità al fine di essere utilizzate per uso continuo. Applicazione a lungo termine: integrazione delle batterie direttamente nei tessuti e pacchi Sistema backplane O-TFT (organic thin film transistor) Applicazione a breve termine: sistema backplane per display in bianco e nero Applicazione a lungo termine: sistema backplane per display a colori e per lettori elettronici Applicazione a lunghissimo termine: display a colori a grande schermo basati sulla tecnologia OLED. Sensori organici Applicazione a breve termine: sensori di temperatura, pressione e fotodiodi, e matrice di sensori Applicazione a medio termine: sensori potenziometrici per analisi chimiche 9

10 Applicazione a lungo termine: un sistema sensoristico intelligente derivato dalla combinazione di questi dispositivi Oggetti smart Derivano dalla combinazione e integrazione di dispositivi multi elettronici. Applicazione a breve termine: logo animati Applicazione a lungo termine: grandi superfici portatili per giochi, carte intelligenti Di seguito una breve panoramica delle tendenze dell elettronica organica nelle industrie. Sono state prese in considerazione industrie che sono già avanti nella ricerca e che a breve immetteranno sul mercato un prodotto. Bundesdruckerei GmbH è una compagnia leader nel settore della tecnologia ID, integrata con RFID stampati. Recentemente è stato presentato il primo prototipo di documento ID con display flessibile, molto innovativo, in quanto il display funziona senza una batteria interna. Invece, il lettore fornisce energia per le operazione del display bistabile elettroforetico. La bistabilità permette la visibilità del display senza utilizzo di energia. BASF sta sviluppando in collaborazione con partner accademici e industriali, nuovi materiali fosforescenti per gli OLED che potrebbero rivoluzionare non solo il mercato dei display, ma anche il mercato dell illuminazione, in quanto questi materiali dovrebbero consumare metà dell energia consumata dalle convenzionali lampade a basso consumo. Novaled fornisce tecnologie droganti per migliorare il trasporto di carica nei dispositivi organici. Il vantaggio di questa tecnologia è la riduzione del voltaggio senza perdere trasparenza nei dispositivi OLED. PolyIC ha sviluppato un processo di produzione nel quale i material plastici conduttori e semiconduttori, sono applicati in diversi strati su un film di poliestere per realizzare funzionalità elettroniche. Questo nuovo processo permette grandi applicazioni a basso costo per grandi volumi di prodotto. Un esempio è il dispositivo RFID il quale permette la trasmissione delle informazioni ad un lettore da un cartellino posto sul prodotto, senza che il lettore veda il cartellino. 10

11 3. Applicazioni top Recenti studi di mercato hanno evidenziato che l elettronica organica è un settore in grande espansione in Europa, Stati Uniti e Giappone, dove il Giappone è in testa, in quanto gli OLED, il settore più in espansione, sono fabbricati li ed acquistati da compagnie giapponesi che realizzano apparecchiature elettroniche, come gli mp3. Fonte: IDTechEx Le previsioni per l elettronica organica attendono un aumento del volume di affari da circa 1.1 bilioni nel 2007 a 27 bilioni nel Oggi i guadagni dell elettronica organica vengono da un unico settore in particolare, quello degli OLED, e secondo analisi di mercato effettuate da NanoMarkets, continuerà ad essere il settore più trainante anche nel 2014 seguito dal fotovoltaico. Fonte: IDTechEx 11

12 Le analisi economiche e le tendenze del futuro, hanno evidenziato che, sebbene l elettronica organica sia una tecnologia giovane, alcune applicazioni sono già inserite nel mercato o lo saranno a breve, e stanno modificando le sorti dell elettronica inorganica, inserendosi perfettamente in un panorama maggiormente sensibilizzato a trovare soluzioni più efficienti, a più basso costo e meno invasive sull ambiente. Le applicazioni, definite applicazioni top, OLED, carta elettronica e celle fotovoltaiche organiche, sono state analizzate più nel dettaglio di seguito, evidenziando diversi vantaggi rispetto alle corrispettive tecnologie in uso. OLED OLED (Organic Light Emitting Diode) è un modo nuovo di generare luce, utilizzando materiali organici invece della complessa struttura cristallina su cui si basano i tradizionali LED (Light Emitting Diode). La tecnologia OLED, permettendo di introdurre visualizzatori di ogni dimensione nonché adattabili su una grande varietà di supporti (anche flessibili o trasparenti), presenta grandi potenzialità in vari settori, a partire dall - home entertainment ai componenti per telecomunicazione, alla difesa e alla sicurezza. Tali promesse sono supportate anche da numerosi vantaggi prestazionali rispetto ai tradizionali tubi a raggi catodici ed agli LCD. La prima applicazione commerciale in questo campo è stato l Organic Light Emitting Diode (OLED). Questo dispositivo fu inventato dalla Kodak per quanto riguarda le piccole molecole (depositate per evaporazione) e dal gruppo di Prof. Sir Richard Friend all università di Cambridge per i LED a polimeri (depositati attraverso tecniche di stampa come l ink jet). Siccome è possibile sintetizzare molecole con efficienza di emissione di luce molto alta e che emettono in diverse regioni dello spettro del visibile (i.e. diversi colori), questi materiali vengono utilizzati per la fabbricazione di schermi piatti (come quelli a LCD). Vantaggi specifici di OLED, rispetto alle tecnologie trasmissive come LCD, sono legati al fatto che si basa sull elettroluminescenza, cioè sull emissione diretta della luce: l angolo di visione è ampio, il consumo di energia è basso, non è necessaria la sorgente di luce sul retro del display (con vantaggi per lo spessore totale del display e soprattutto dal punto di vista dell inquinamento ambientale, poiché le lampade contengono mercurio). Oggi display OLED che hanno una grossa brillantezza e nessun problema di angolo di visione si trovano in apparecchiature elettroniche come molti mp3 e anche in alcuni telefoni cellulari come quelli della Samsung. Il recente annuncio del lancio sul mercato giapponese della prima televisione OLED a piccole molecole da parte della Sony è una chiara indicazione che la tecnologia OLED è pronta per una grande produzione commerciale. La televisione targata Sony è solo 3 mm nella sua parte più 12

13 sottile. Un fattore su cui la Sony ha puntato per la vendita è anche l efficienza energetica di questo tipo di schermo rispetto alle altre tecnologie a schermo piatto. Varie compagnie, incluse la Cambridge Display Tecnology (oggi Sumitomo) e la Seiko-Epson hanno mostrato prototipi anche molto grandi (40 pollici) di schermi piatti in cui i polimeri elettroluminescenti sono depositati per ink jet. Inoltre, varie realtà stanno oggi lavorando sullo sviluppo di OLED che emettono luce bianca. Questi un giorno, sotto forma di piastrelle molto sottili da applicare sui soffitti o pareti, potrebbero rimpiazzare le normali lampadine normalmente utilizzate oggi per l illuminazione interna di ambienti. Il costo degli OLED resta comunque più alto di quello della tecnologia in uso ma il costo extra è ammortizzato da un tempo di vita e da un efficienza notevolmente migliorata I processi di manifattura per gli OLED sono significantemente in progresso. E stato dimostrato che il processo roll-to-roll da ottimi risultati come processo di manifattura e darà come prospettiva per il futuro, un miglioramento dei costi della fabbricazione degli OLED. CARTA ELETRRONICA (E-PAPER) Particolari vantaggi dei semiconduttori polimerici anche detti plastici sono la loro flessibilità meccanica e il fatto che non necessitano di alte temperature durante i processi di costruzione dei dispostivi. Diventa quindi possibile utilizzare substrati plastici come il PET (lo stesso materiale delle bottiglie di plastica) e fabbricare elettronica su larga area su fogli di questo materiale che non sono solo flessibili ma in alcuni casi possono essere addirittura avvolgibili. Due compagnie nate agli inizi di questo decennio stanno sviluppando metodi per la fabbricazione di elettronica su substrati flessibili con lo scopo di produrre carta elettronica (e-paper): qualcosa che assomiglia alla carta sia visivamente che meccanicamente ma con cui è possibile far variare il contenuto della pagina digitalmente. La Plastic Logic Ltd di Cambridge ha ricevuto 100 milioni di dollari nel gennaio del 2007 per costruire una linea di produzione pilota di carta elettronica. Questo tipo di schermo ha il grosso vantaggio di essere bistabile: necessita di energia solo quando si cambia il testo o l immagine visualizzata (un po come sfogliare le pagine). È quindi particolarmente adatta per applicazione portatili in quanto è estremamente clemente sul consumo delle batterie. La Polymer Vision (una spin-out della Philips) ha recentemente annunciato che entro la fine dell anno produrrà telefonini equipaggiati proprio con uno 13

14 schermo estraibile e-paper (i.e. librofonino) e che questo verrà commercializzato, per primo, da un azienda italiana. CELLE FOTOVOLTAICHE ORGANICHE Il grande potenziale dei materiali organici per la produzione di dispositivi su larga area ha uno sbocco evidente nel campo della produzione di energia solare. Le nuove celle organiche solari risultano di notevole interesse perché hanno flessibilità meccanica, semi trasparenza e dei costi di produzione bassi. Infatti, dato che le superfici coinvolte in un tipico impianto fotovoltaico sono di parecchi metri quadri, abbassare i costi è fondamentale affinché il solare possa divenire una sorgente d energia diffusa. Approcci organici al fotovoltaico sono ora presi in grande considerazione come soluzioni a basso prezzo per pannelli solari tradizionali e applicazioni fotovoltaiche integrate in edifici. La richiesta per questi sistemi sta sempre di più crescendo dovuto essenzialmente ad una necessità di ridurre i costi energetici, specialmente in Inghilterra e Europa dove la legislazione richiede edifici a zero energia. L interesse per lo sviluppo di celle fotovoltaiche usando nuove tecnologie organiche, come quelle a semiconduttori polimerici, a piccole molecole o ibride (come le celle a pigmento Dye Solar Cells) è sempre più forte a livello internazionale sia da parte dei centri di ricerca pubblici che di quelli industriali tra cui la Konarka Technologies, G24 Innovations, DyeSol (con cui il Polo Solare Organico della Regione Lazio ha stretto rapporti), Aisin Seki, e Sharp, FhG. Affinché si possa passare dalla fase prototipale a quella industriale, bisogna continuare ad aumentare le efficienze, i tempi di vita e mettere a punto metodi di fabbricazione industrializzabili per pannelli di larga area. I progressi ottenuti in questi ultimi anni dalla comunità internazionale sono notevoli. Recenti avanzamenti nell ambito dei materiali e dell architettura delle celle per il fotovoltaico organico ha anche portato ad un miglioramento dell efficienza che spingerà ulteriormente il fotovoltaico organico nel mercato. L aggiunta di fullerene ai materiali fotovoltaici organici più convenzionali permetterà di duplicare l efficienza delle celle organiche nei prossimi due anni. Le promesse dei materiali organici fotovoltaici sono di abbattere i costi e di permettere la produzione di nuovi prodotti come finestre intelligenti e telefoni cellulari caricati con energia solare. I materiali organici offrono un basso rapporto di conversione energetica rispetto alle tecnologie di film sottili fotovoltaici, e anche peggiori se confrontati con i materiali fotovoltaici cristallini. Nonostante la efficienza di conversione non può ancora essere al livello dell inorganico, le celle solari organiche sono comunque a più basso costo e il puro approccio organico al fotovoltaico promette di migliorare ancora più radicalmente il prezzo. Tutto ciò rende il fotovoltaico organico 14

15 altamente attraente per settori di mercato come l elettronica mobile e le applicazioni residenziali 15

16 4. Conclusioni L elettronica organica è una nuova e affascinate piattaforma tecnologica che permette di applicare l elettronica a diversi settori come: giochi interattivi, RFID, display avvolgibili, celle solari flessibili, ecc.. I dati economici hanno evidenziato che la tecnologia è già sufficientemente matura per entrare nel mercato, inizialmente con prodotti semplici rivolti alla conquista di interessanti segmenti di mercato. Il mercato di massa sarà raggiunto in un prossimo futuro, quando l atteso sviluppo nel campo dei materiali, degli strumenti, e dei processi di produzione sarà raggiunto e quando un passo avanti sarà fatto nelle seguenti aree: Risoluzione, registrazione e stabilità dei processi di pattern Miglioramento dei processi di pattern Miglioramento delle rese dei processi di manifattura (rese alte, costi inferiori) Ricerca su materiali con migliori performance elettroniche e migliore processabilità Mobilità di carica e conduttività elettrica nei semiconduttori e conduttori Progettazione di circuiti compatibili con i materiali organici a disposizione e con le tecniche di stampa L elettronica organica ha mostrato delle notevoli potenzialità ma è necessaria ancora molta ricerca perchè arrivi allo stesso livello di industrializzazione delle tecnologie basate sul silicio. 16