Sensori e display stampati in polimeri organici

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Plastic Logic progetta e produce display completamente plastici con una tecnica di stampa a bassa temperatura che li rende luminosi e durevoli

Nell’ultimo report IDTechEx sulla Printed, Organic & Flexible Electronics viene prevista una crescita continua dei prodotti elettronici stampabili, organici e plastici con CAGR del 14,5% almeno fino al 2023, ma secondo gli analisti del Massachusetts saranno ancora gli OLED (LED organici) e soprattutto i display fabbricati con gli OLED e gli AMOLED (OLED a matrice attiva) a trainare il settore perché hanno le carte in regola per conquistare a macchia d’olio la sconfinata varietà delle applicazioni consumer, automotive e domotiche.

In effetti, i dispositivi elettronici fabbricabili con molecole e polimeri organici stampati a getto d’inchiostro sopra supporti plastici hanno i due grandi vantaggi del basso costo e della deformabilità che li rende ottimi per assemblare prodotti elettronici economici e adattabili all’ambiente che li circonda. I display polimerici possono essere installati sulle finestre delle automobili, incollati ai mobili di casa e persino indossati sui nostri vestiti, ragion per cui attirano le maggiori aspettative di mercato ma oggi stanno crescendo anche altri prodotti flessibili come i sensori, le batterie, le memorie, le strisce elettroluminescenti e le superfici fotovoltaiche.

Alcuni dei protagonisti di questo interessante settore di mercato sono europei perché usufruiscono degli incentivi decretati dall’Unione Europea nel 7° programma quadro (FP7) del 2007 insieme al lancio di alcuni progetti come il SIMS, Smart Integrated Miniaturised Sensor Systems, per lo sviluppo dei sensori stampabili su fogli simili alla carta e indossabili dai pazienti per il monitoraggio dei parametri medicali, oppure il Ropas, ROll-to-Roll PAper Sensors, per lo sviluppo di sistemi di misura arrotolabili e utilizzabili come etichette di riconoscimento identificabili grazie a un front-end a radiofrequenza o, ancora, il FlexSMELL, o FP7 Marie Curie ITN Project, per lo sviluppo dei sistemi di misura olfattivi ispirati ai bio-recettori con materiali sia organici sia inorganici a basso costo.

L’effetto tunnel nella plastica

Peratech ha la sede a Richmond, in Inghilterra, dove collabora da vent’anni con la locale università di Durham prima alla progettazione e poi allo sviluppo dei materiali QTC in Quantum Tunneling Composite, un composito realizzato con particelle di carbone conduttive deposte sopra un elastomero di gomma siliconica che ha la prerogativa di cambiare drasticamente la resistenza elettrica in funzione della forza applicata. Lo schiacciamento, infatti, avvicina le particelle a sufficienza perché gli elettroni possano attraversare per effetto tunnel la barriera di potenziale che li separa e la quantità di elettroni che va in conduzione è proporzionale alla forza applicata.

Quando sono compressi i compositi QTC cambiano da perfetti isolanti a ottimi conduttori e consentono a Peratech di realizzare interruttori allo stato solido e sensori di pressione per i display 3D-touch

Una membrana QTC a riposo si comporta da quasi perfetto isolante con resistenza sui 10¹² Ohm mentre quando viene compressa inizia a diventare conduttiva e se la forza è sufficiente si trasforma in un quasi perfetto conduttore metallico (meno di 1 Ohm). Si può quindi usare sia come interruttore allo stato solido sia come sensore di pressione e in entrambi i casi ha un’escursione di comando molto ampia. Peratech stampa i suoi sensori di pressione QTC con materiali biocompatibili e con un particolare tipo di serigrafia a basso costo che ne preserva le ottime prestazioni e li rende adatti, per esempio, in medicina per monitorare i movimenti dei tessuti oppure per realizzare tessuti artificiali con sensibilità tattile come mani e piedi sostitutivi. L’applicazione principe può essere quella dei display 3D-touch ma altrettanto attraenti sono le applicazioni automotive, industriali e nella domotica.

Display plastici ultra-sottili

Plastic Logic è stata fondata in Inghilterra nel Cambridge Science Park da alcuni ricercatori del Cavendish Laboratory dell’università di Cambridge con la missione di sviluppare e produrre in impianti propri elettronica plastica. L’attività principale è focalizzata nei display plastici ultra-sottili di grande luminosità sia monocromatici che a colori e in diversi formati, tutti caratterizzati dalla deformabilità e dalla robustezza che ne garantiscono l’uso per molti anni senza deterioramento di prestazioni.

Plastic Logic progetta e produce display completamente plastici con una tecnica di stampa a bassa temperatura che li rende luminosi e durevoli

Il processo utilizzato per fabbricare i pannelli in strisce sottilissime è a bassa temperatura e permette di stampare milioni di transistor sul substrato plastico con elevata risoluzione lasciando integra la sua struttura portante. Uno dei più recenti prodotti è uno schermo plastico AMOLED interamente realizzato con Organic Thin Film Transistor (OTFT) capace di una velocità di refresh di 30 frame al secondo con una scala di grigi a 256 livelli. Oltre all’elevata luminosità, il pregio di questo display è di essere totalmente di plastica e per di più fabbricabile in grandi volumi con processi a basso costo. È quindi molto adatto per i prodotti indossabili anche perché le strisce dei LED sono modulari e si possono ottenere in tutti i formati con dimensioni che vanno dall’orologio da polso fino al display per tablet.

Sistemi circuitali plastici

PolyIC è una società tedesca che ora fa parte del Kurz Group ma è nata a Fürth, vicino a Norimberga, come joint venture fra Siemens e Leonard Kurz Stiftung per lo sviluppo di fogli e lamine a caldo per applicazioni smart. La sua tecnologia di stampa a getto d’inchiostro permette di disegnare circuiti elettronici e sensori sopra substrati di poliestere deformabili e robusti usando come inchiostri opportuni polimeri organici liquefatti che possono essere conduttivi oppure semiconduttivi. Le proprietà elettriche dei polimeri dipendono dalla loro struttura molecolare formata da catene di polimeri coniugati con legami singoli e doppi in perfetta sequenza alternata, tale per cui basta un piccolo potenziale per liberare degli elettroni in circolo.

Display e comandi automotive integrati da PolyIC con una tecnologia di stampa che consente di disegnare componenti e circuiti elettronici sul poliestere usando un inchiostro di polimeri organici semiconduttivi

Con i polimeri organici semiconduttivi PolyIC realizza transistor OFET (Organic FET), condensatori, diodi OLED, fotodiodi per celle fotovoltaiche, oscillatori e anche memorie non volatili. Con questi componenti, inoltre, fabbrica display con le più disparate caratteristiche e scegliendo opportunamente il substrato di poliestere può realizzare display trasparenti da appiccicare alle finestre oppure display touch di tutte le forme e colorazioni e con vari effetti per la sensibilità tattile, come il touch screen recentemente presentato per applicazioni automotive.

Plastica sensibile

ThinFilm è una società scandinava con sede a Oslo, in Norvegia, e impianti produttivi a Linköping, in Svezia, e sin dalla metà degli anni 90 ha sviluppato una tecnica di stampa basata sui polimeri ferroelettrici bistabili grazie alla quale ha potuto realizzare le prime memorie riscrivibili stampate a basso costo. Perfezionando questa tecnologia ha poi sviluppato le ThinFilm Addressable Memory contenenti sia la memoria stampata sia una parte circuitale logica per il suo controllo e, inoltre, i Printed Thermistor Sensor, PTS, e altri tipi di sensori, tutto in polimeri organici.

ThinFilm è pioniere nelle memorie stampabili che produce con polimeri ferroelettrici bistabili e integra sopra fogli plastici in sistemi completi di logica, sensori e display

Oggi la società produce anche sistemi completi composti da logica, memoria, sensori e display che grazie alla stampa su substrati plastici sono fabbricabili in strisce adesive che si possono usare come etichette a basso costo sufficientemente intelligenti per svolgere alcuni semplici compiti come segnalare se la temperatura scende o sale oltre i livelli di soglia quando si tratta di confezioni di farmaci o alimenti oppure rendere tracciabile un bagaglio o un pezzo di ricambio.

La tecnologia di stampa roll-to-roll consente di fabbricare rotoli di questi chip flessibili con costi inferiori a 50 centesimi ciascuno ed è perciò molto competitiva. Attualmente i ricercatori ThinFilm stanno perfezionando la connettività NFC (Near Field Communication) con cui sarà possibile implementare funzioni di identificazione e riconoscimento delle etichette ancor più sofisticate.

Lucio Pellizzari

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