Printet elektronikk er et stort felt som omfatter mye forskjellig, både når det gjelder hva slags innretninger som lages og teknikkene for å få det til.
Et drømmescenario for industrien er helautomatiske prosesser med kontinuerlig innmating.
Rull til rull
I dag printes alt fra solceller til grunnleggende kretselementer som dioder og transistorer fra rull til rull. Underlagsmaterialet på rull kan for eksempel være bøyelig plast- eller metallfolie. Etter at folien er kjørt gjennom skriveren, snurres det hele opp igjen i en ny rull med ferdig produkt.
– Det overordnede målet er å fremstille elektroniske innretninger fra rull til rull, med billige materialer på fleksible underlag, forklarer Christina Schindler, ingeniørprofessor ved Hochschule München.
Forskergruppen hennes presenterer nå bøyelige minnefliser som de kun har brukt blekkstrålekriver for å lage. Det dreier seg om Resistive Random-Access Memory (ReRAM), en type minne som er under utvikling av mange ulike selskaper i dag.
Minnecellene, som er printet på en slags plastfolie (polyimid) med blant annet sølvblekk, ser ut til å prestere like bra som enheter fabrikkert i renrom. Den største overraskelsen var hvor lite prestasjonen avhenger av produksjonsprosessen, ifølge Schindler.
- Norsk-amerikanske selskap (abo.): Når Thinfilms nye fabrikk i Silicon Valley står klar, blir det områdets eneste elektronikkprodusent
Enkle funksjoner
I tråd med Moores lov pakkes elektronikk stadig tettere, noe som gir stadig mindre og kraftigere datamaskiner. Parallelt omgir vi oss med stadig flere dagligdagse ting med ganske enkle elektroniske funksjoner. Tenk på kredittkort, kaffetraktere og smart-tagger på alle mulige slags produkter.
Derfor finnes det muligheter for forenkling av produksjon av elektroniske kretser til dingser som ikke krever særlig høy ytelse. Ved å bruke printer og jenke på dimensjonskravene, ser Schindler og kollegene store muligheter for å strømlinjeforme både produksjon og integrering, og dermed redusere kostnader.
– For at vi skal kunne snakke om en komplett, printet krets i rull-til-rull-produksjon, er også minne nødvendig, sier Schindler.
Minneflisene forskergruppen har printet utgjør en demonstrasjon av at dette konseptuelt sett er mulig. Forskningen er klart interessant, mener Klas Boivie, som er seniorforsker ved Sintef Raufoss Manufacturing AS og jobber med additiv tilvirkning.
– Men det trengs en del forskning og utvikling før vi vet om dette faktisk er en konkurransedyktig metode for framtida. Flere forskergrupper jobber med det rundt om i verden, sier Boivie.
Venter på en industriell revolusjon
Prosessen bak Schindlers minnefliser er den samme som for en kontor-blekkskriver, bortsett fra at forskerne har hatt muligheten til å fininnstille dråpestørrelsen og varme opp underlagsmaterialet. «Blekket» er selvfølgelig også annerledes.
Schindlers forskningsgruppe har likevel kun benyttet billige og enkelt tilgjengelige materialer som ikke krever vakuumprosesser, og på den måten skiller de seg fra flere av de andre gruppene som jobber med slikt.
– Dessuten har vi brukt tynnere underlagsmaterialer. Det åpner muligheten for svært bøyelig minne som dessuten kan stables med tanke på 3D-integrasjon, skriver Schindler i en e-post til TU.
Inkjet-printet elektronikk grupperes noen ganger sammen med såkalte additive tilvirkningsteknologier. Interessen for slike prosesser har økt kraftig de siste årene.
– Printerindustrien ønsker å utvikle seg videre når kontorene kanskje til slutt blir papirfrie. Forventningen er at etter den industrielle og den digitale revolusjonen, er det klart for den digitale industrielle revolusjonen. Vi i Sintef har vært med på å undersøke og lage et veikart for denne utviklingen i EU-prosjektet «Diginova», sier Boivie.
Han tror ikke denne utviklingen vil skje over natten, men at fremdriften vil komme punktvis på spesifikke områder, og i samvirke med fortsatt utvikling av mer tradisjonell teknologi.
- Med elektronikk produsert i trykkmaskiner: Her er whiskyflaska som kan fortelle deg om den har vært åpnet
Klistremerker
Det norske selskapet Thinfilm ligger i global front når det gjelder utvikling og kommersialisering av printet elektronikk og smartsystemer. De har allerede utviklet en rull til rull-produksjon av printet minne, som ble lisensiert til Xerox i 2014.
Prosessene bak dette produktet er mer omfattende enn ren inkjet-printing. Fra rull til rull produserer Xerox nå klistremerker med 36 bits omskrivbart minne og kontaktlesing.
– Xerox Printed Memory er det første produktet vi har jobbet med innen printet elektronikk, og gir en læringskurve mot å kunne utvikle og markedsføre andre produkter, forteller Patrick de Jong, som er selskapets markedssjef for produktet.
Thinfilm har konsentrert seg om ferroelektrisk minne (FeRAM), som innebærer en annen tilnærming enn Schindlers gruppe. På begge områdene jobber forskere med å finne et alternativ til klassisk DRAM eller Flashminne.
John Scharr er teknologisjef for Xerox Printed Memory, og sier muligheten for å kunne lage minne med blekkskriver vil akselerere designsyklusene og redusere investeringskostnader for industriaktører innen printet elektronikk.
– Teknologien muliggjør rask utvikling av prototyper for kretsdesign. I tillegg vil kostnadene for rull-til-rull produksjon reduseres, siden designjusteringer kan evalueres i den mye billigere inkjet-prosessen før man skrur opp volumet på produksjonen, sier Scharr.
Han vektlegger også at de nye minneflisene krever lite strøm. Det er en sentral faktor for å forlenge batterilivet i mange applikasjoner. Siden minnet er multi-bit kan teknologien dessuten øke minnetettheten per areal, tror han. Det vil redusere kostnader ytterligere.
- Dansker nært nytt solcellegjennombrudd: Men teknologien kan allerede være for sent ute
Printe ved behov
Foreløpig har Schindler og kollegene printet ReRAM i veldig enkle strukturer, nemlig én linje som krysses av flere andre, og ved hvert kryss finner vi en minnecelle. Neste skritt er å få minnecellene til å snakke seg imellom.
Lenger inn i framtida ser Schindler for seg ekstremt billig, fleksibel elektronikk som også kan printes ved behov. Tenk deg at butikken printer sine egne smart-tagger, eller busselskapet individuelt tilpassede multifunksjonelle billetter.
Markedssjefen for Xerox' printede minne ser også for seg å utvikle produkter som ikke kun er konsentrert rundt minne. Han nevner batterier og sensorer, og tror den printede elektronikken kan bli kontaktløs.
– Det er veldig store forventninger på dette området, men også mange utfordringer, kommenterer Boivie.
