`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Прозрачная электроника

Статья опубликована в №1-2 (618) от 22 января

0 
 

Появление прозрачных и дешевых транзисторов привело к быстрому развитию направления, получившего название прозрачной электроники. Скоро, например, возможно будет встраивать прозрачные электронные схемы в окна и наделять их функциями дисплеев.

Представьте себе шлем военных, на защитный лицевой пластик которого можно выводить карту местности, интерактивный компас и другую нужную информацию. Или же лобовое стекло автомобиля, половина которого, по желанию водителя, преобразуется в дисплей, отображающий карту местности или состояние узлов машины. Как только эта информация становится ненужной, «дисплей» исчезает. При желании можно будет воспроизводить видео на окнах, автомобильных ветровых стеклах или даже на контактных глазных линзах, и соответствующие технологии уже разрабатываются. Массовый выпуск прозрачной электроники, как ожидается, начнется уже через год или два. Развитие технологий обещает внедрить прозрачные электронные схемы во многие сферы нашей жизни. В электронике первой волны использовались в основном прозрачные электроды и проводники.

«Вторая волна»

Технологии, позволяющие использовать прозрачные материалы в электронной аппаратуре, уже некоторое время используются на практике. Прозрачные электроды из оксидов индия и олова нашли применение в сенсорных экранах, жидкокристаллических панелях, солнечных батареях и других изделиях.

Создаются прозрачные версии функциональных компонентов типа транзисторов. Некоторые устройства разрабатываются уже сегодня – электронный документ следующего поколения на гибкой подложке или тонкопленочные транзисторы (TFT) для управления панелями OLED. На рис. 1 показаны пути и прогнозы развития второй волны прозрачной электроники. К настоящему времени разработаны прозрачные и гибкие транзисторы и микросхемы, а некоторые фирмы выводят их на коммерческий уровень. Вместе с прозрачными электродами они рождают новое поколение прозрачных и гибких электронных приборов (дисплеев, фото- и видеокамер и т. п., вплоть до электронной бумаги).

Прозрачная электроника
Рис. 1. Пути и прогнозы развития прозрачной электроники

В этой волне принимают активное участие многие компании: Canon и Toppan Printing (обе из Японии), корейские Samsung Electronics и LG Electronics, Hewlett-Packard (США).

LG добилась значительных успехов, хотя и в рамках своего направления. Фирма продемонстрировала активную матричную панель OLED на симпозиуме Society for Information Display (SID 2007) в США в мае 2007 г. и на международном симпозиуме European Materials Research Society (E-MRS-2007) во Франции. При этом присутствующие могли посмотреть полноценное видео. Один японский инженер, посетивший E-MRS-2007, так прокомментировал увиденное: «Это действительно уже коммерческий уровень. Я просто поражен и не могу представить себе, как далеко они продвинутся с этим до следующего симпозиума».

За второй волной начинается третья, когда уже будут использоваться прозрачные полупроводники p-типа. Третья волна, концептуальные разработки для которой проводятся во многих лабораториях, приведет к созданию дешевых прозрачных гибких и потребляющих мало энергии устройств с небывалыми параметрами. Основное направление развития здесь нацелено на производство устройств на интегральных микросхемах КМОП. Вероятно, к этому времени уже будут выпускаться не только прозрачные компоненты, но и полностью прозрачные электронные изделия. Например, прозрачные смарт-карты, оконные стекла с прозрачными солнечными батареями, дисплеи, показывающие необходимую для водителя информацию непосредственно на ветровом стекле, и так называемые дисплеи с креплением на голове (head-mount displays), в которых экраном служат контактные линзы или стекла очков.

Японские университеты развивают теорию и базовые технологии, лежащие в основе второй и третьей волны, но их внедрение в производство начинается во всем мире уже сегодня. Корея, например, запустила в 2006 г. национальный проект «Интеллектуальное окно с прозрачными электронными приборами» (Smart Window with Transparent Electronic Devices), цель которого – разработать оконные стекла с активными функциями, и уже привлекла изготовителей для научно-исследовательских и конструкторских работ.

Оксиды играют главную роль

Одна из основных причин возникновения такого интереса и активности в области прозрачной электроники – недавние серьезные достижения в увеличении подвижности носителей заряда (электронов и дырок) в прозрачных полупроводниках – определяет характеристики тонкопленочных транзисторов. Так, была значительно увеличена подвижность носителей в низкотемпературном поликремнии (low-temperature poly-Si, LTPS) и аморфном кремнии, используемых в жидкокристаллических панелях.

Более того, удалось снизить стоимость компонентов. Прозрачные полупроводники типа GaN и алмаза уже известны, но они имеют высокую стоимость (материалы, производство и т. п.), что делает невозможным их использование в массовых прозрачных электронных приборах, требующих относительно больших экранов.

Прозрачная электроника
Рис. 2. История повышения подвижности носителей заряда в новых прозрачных и гибких полупроводниках

Оксиды, привлекающие повышенный интерес, могут быть разделены на две группы. Первая – оксид цинка (ZnO), и вторая – аморфные оксиды с содержанием тяжелых металлов типа аморфного InGaZnO4 (a-IGZO). Обе пропускают видимый свет и почти полностью прозрачны. Подвижность носителей (мера их скорости в данном электрическом поле) в материалах, сделанных на основе ZnO, составляет 250 см²/В∙с, что значительно выше достигаемой в LTPS – 100 см²/В∙с. Подвижности носителей у TFT, изготовленных из a-IGZO, лежат в пределах от 1 до 100 см²/В∙с, что также выше, чем максимум для аморфного кремния – 1 см²/В∙с. За последние несколько лет темп разработок ускорился, что связано с ростом подвижности носителей в ZnO (рис. 2), а изготовители активно создают приложения, основанные на a-IGZO. Устройство, продемонстрированное фирмой LG на симпозиуме E-MRS 2007, как раз и сделано на этих компонентах.

Хотя подвижность носителей в ZnO выше, чем в a-IGZO, тем не менее для изготовления дисплеев с большими экранами и электронной бумаги применяются материалы на базе a-IGZO.

Прозрачная и гибкая электроника

Традиционные TFT-технологии на основе аморфного и поликристаллического кремния, хорошо подходящие для многих текущих приложений (почти все цветные экраны мобильных телефонов используют их), совершенно не пригодны для гибких и прозрачных приборов. Кроме того, такие TFT имеют малую подвижность носителей заряда, что ограничивает рабочие частоты для приборов этого типа. Органические TFT лучше подходят для гибких приложений и могут быть сделаны прозрачными. Однако подвижность носителей в них вообще весьма низкая, порядка 5 см²/В•с, что ограничивает быстродействие и, кроме того, они имеют относительно большие размеры.

Исследователи из нескольких университетов США (Purdue University, Northwestern University, and the University of Southern California) сообщили о созданных с применением нанотехнологий новых TFT, которые имеют существенно большую подвижность носителей, чем другие TFT-материалы, и поэтому могут работать при более высоких частотах. Кроме того, их размеры намного меньше, что позволяет повысить степень интеграции микросхем, совершенно прозрачны и могут применяться в гибких устройствах. TFT используют новые совершенно прозрачные полупроводники с широкой запрещенной зоной и нанопроводники для соединения элементов схем. Транзисторы показывают хорошие рабочие характеристики, включая относительно высокие токи (до 10 мкА в нанопроводниках), высокую скорость переключения, необходимую для цифровых приложений, и низкую потребляемую мощность. В рамках проекта были созданы полностью прозрачные и механически гибкие нанотранзисторы (nanowire transistors, NWTS) на пластмассовых подложках.

Прозрачная электроника
Области массивов прозрачных и гибких транзисторов

Рис. 3. NWTS на пластмассовой подложке, полностью прозрачные и гибкие. Стрелки указывают на транзисторные матричные области

Комбинация превосходной оптической прозрачности (до 81%) и механической гибкости соединений In2O3 и ZnO делают NWTS на их основе незаменимой технологией для изготовления прозрачных и гибких электронных устройств.

Новые разработки демонстрируют, что наноэлектроника может быть полностью прозрачной и гибкой при очень высоком качестве (рис. 3). Устройства с NWTS изготовляются с использованием низкотемпературных методов обработки, которые позволяют интегрировать на пластик другие необходимые компоненты для достижения гибкости и легкости сборки.

В частности, имеются три широких прикладных области для этих транзисторов: прозрачные дисплеи – для создания изображений на ветровых стеклах, очках и контактных линзах; гибкие дисплеи – для развивающихся приложений типа «электронная бумага» и прозрачная/гибкая электроника – для приложений типа электронных штриховых кодов, RFID и кредитных карточек.

Дополнительные возможности

Прозрачность – полезное качество, благодаря которому новые материалы могут успешно конкурировать с существующими кремниевыми. Полагают, что если высокая эффективность и качество приборов будут дополнены прозрачностью, то обычные технологии не выдержат конкуренции с ними.

В то же время, по мнению профессора Хидео Хосоно (Hideo Hosono) из Лаборатории материалов и структур Токийского технологического института (Materials & Structures Lab, Tokyo Institute of Technology of Japan), прозрачная электроника «... не имеет достаточно большого поля непосредственных приложений, которые действительно используют прозрачность». Однако опытно-конструкторские работы активно ведутся даже без широкого диапазона целевых приложений, потому что ZnO и a-IGZO имеют и другие достоинства в дополнение к прозрачности (рис. 4). Разработчики также очень заинтересованы в таких свойствах, как большая ширина запрещенной зоны, что даст возможность создавать светодиоды с ультрафиолетовым излучением, белые светодиоды с высокой чистотой цвета и другие устройства; высокая подвижность носителей, которая могла бы привести к замене аморфного кремния, LTPS, и т. д., а также низкотемпературный процесс, который позволяет производить легкие гибкие изделия.

Прозрачная электроника
Рис. 4. Свойства полупроводников, существенные для прозрачной и гибкой электроники

LG Electronics, участник национальной корейской программы «Smart Window», стремится, во-первых, к практическим результатам по усовершенствованию составных технологий, во-вторых, планирует впоследствии применять новые технологии в прозрачных изделиях. Хонгю Ким (Honggyu Kim), руководитель разработок в группе дисплеев (Conformable Devices Group, Display Research Lab) объясняет: «В последнее время мы больше заинтересованы в разработке TFT-драйверов для матричных OLED-панелей, чем в прозрачности непосредственно. Однако изделия типа прозрачных мониторов и функциональных оконных стекол заложены в средне- и долгосрочные планы».

a-IGZO TFT для электронной бумаги

Изготовители панелей с нетерпением ожидают прозрачные окисные полупроводники как материалы для TFT, чтобы управлять изделиями, как панелями OLED, ЖК и электронной бумагой. Подвижность носителей, требуемая для TFT, – от 1 до 20 см²/В∙с. Прозрачный полупроводник а-IGZO, так интенсивно исследуемый, практически достиг этих значений, и инженеры не видят больших препятствий для использования его в продукции.

Качества a-IGZO высоки, и разработки прозрачных тонкопленочных транзисторов на их основе активно ведутся различными компания, включая Toppan Printing, LG Electronics и Canon. TFT на основе ZnO пока только исследуются несколькими компаниями, включая японские Sharp and Casio Computer. Общее мнение таково, что сначала появятся коммерческие применения a-IGZO TFT. Г-н Ким из LG так комментирует сложившуюся ситуацию: «Мы не нашли каких-либо проблем с a-IGZO TFT. Они предлагают высокую однородность аморфных кремниевых TFT, простую архитектуру устройств и высокую подвижность носителей низкотемпературных поликремниевых TFT».

Дисплеи, использующие прозрачные TFT, весьма вероятно, появятся как коммерческий продукт сначала в форме электронной бумаги следующего поколения.

Применение прозрачных и гибких TFT означает, что устройство не будет ломаться даже при падении. Фирма Toppan Printing уже некоторое время работала с a-IGZO и добилась определенных успехов. Она создала прототипы гибких электронных документов с активным матричным дисплеем и управляемым a-IGZO TFT еще в 2005 г. В мае 2007 г. Toppan Printing впервые продемонстрировала прототип 4-дюймовой цветной электронной бумаги на симпозиуме E-MRS 2007. Изделие все еще имеет некоторые дефекты, однако у него высокая резкость, гибкость и хорошая передача цвета (рис. 5).

Прозрачная электроника
Рис. 5. Гибкая цветная электронная бумага на основе технологии E Ink

Размер изображения составляет четверть стандартной видеоматрицы (QVGA, 320×240 пикселов) с разрешением 100 dpi, которое, по крайней мере, вдвое лучше, чем у монохромных прототипов, и примерно в четыре раза – чем у цветных. Дисплей имеет четыре основных цвета – красный, зеленый, синий и белый, а диагональ пиксела составляет всего 125 мкм. Фирма объявила, что планирует разработать коммерческий продукт уже в нынешнем году.

Единственный способ достичь приемлемых параметров цветного дисплея до сих пор состоял в том, чтобы выровнять цветные светофильтры и матрицу TFT с точностью до нескольких микрон в многослойной конструкции и затем соединить их вместе. Трудность этого процесса была главным препятствием.

Подобная юстировка требуется в ЖК-панелях, но там пространство между цветными светофильтрами и матрицей TFT – от 4 до 6 мкм зазора между ними, что позволяет упростить сборку. Ситуация иная, когда речь идет об электронной бумаге, потому что пленка дисплея от E Ink использует микрокапсулы от 40 до 50 мкм в диаметре, что делает высокоточную сборку очень сложной. Другая проблема заключалась в том, что пленки соединялись друг с другом с помощью клея, поэтому невозможно было корректировать несоосность.

Toppan Printing решила эту проблему, используя прозрачность a-IGZO TFT. Еще в 2006 г. компания сформировала цветные светофильтры на поверхности пленки E Ink и затем соединила пленку дисплея с пленкой матрицы TFT. Получилась новая «управляемая с поверхности» электронная бумага вместо прежнего устройства, когда устанавливали матрицу TFT между цветной пленкой и пленкой дисплея. Матрица TFT прозрачна, что позволяет свету свободно проходить на пленку дисплея через цветной светофильтр без влияния на функциональные возможности продукта.

Технологический процесс новой структуры использует распыление для формирования матрицы TFT на поверхности светофильтра. При этом создается интегрированная подсистема, которая затем соединяется с пленкой дисплея. Такой подход устраняет потребность в прецизионной юстировке при сборке и действительно упрощает производство. Стандартная технология напыления хорошо подходит для формирования матрицы TFT на светофильтре.

a-IGZO TFT для OLED

Очевидно, что a-IGZO с TFT является лучшим выбором для панелей OLED, так же, как и для электронной бумаги. LG Electronics продемонстрировала 3,5-дюймовую активную матричную панель OLED с системой управления a-IGZO TFT на симпозиуме E-MRS 2007 (рис. 6).

Прозрачная электроника
Рис. 6. a-IGZO – коммерческий уровень для панелей OLED (диагональ – 3,5", разрешение 176×220 пиксела, каждый пиксел состоит из трех субпикселов RGB)

LG уже разработала и начала выпуск опытной партии активной OLED, используя низкотемпературные поликремниевые TFT. Компания проявляет интерес к a-IGZO TFT, несмотря на проблемы малого выхода низкотемпературных поликремниевых TFT, которые имеют значительный разброс параметров, так что необходимы системы для компенсации. Это делает структуру устройства, технологический процесс и другие аспекты достаточно сложными, а также влияет на стоимость больше, чем общезаводские накладные расходы. В то же время a-IGZO имеет примерно такое же качество, как и TFT из аморфного кремния. При этом не нужны сложные системы компенсации, так что структура устройства может быть столь же проста, как и на TFT из аморфного кремния. Еще одним преимуществом является низкий ток утечки между истоком и стоком. Эта особенность делает a-IGZO TFT очень удобными для управления панелями OLED. Единственной реальной проблемой, которая пока препятствует коммерческому выпуску изделий, по мнению специалистов LG, является то, что объемы производства требуют специальных систем напыления для a-IGZO TFT.

Прозрачные транзисторы и микросхемы

Ученые из Университета штата Орегон (США) разработали недорогую технологию создания прозрачных микросхем на основе неорганических материалов. Такие схемы можно будет наносить на любые поверхности, включая автомобильные стекла, экраны КПК и мобильных телефонов, телевизоров и т. д. Изготовлять их можно будет при помощи традиционного метода фотолитографии.

Прозрачная электроника
Рис. 7. Прозрачный и гибкий дисплей уже работает

Прозрачные материалы, способные проводить электричество, известны еще с середины прошлого века. Они применяются, к примеру, в солнечных батареях и ветровых стеклах автомобилей. Прозрачные транзисторы, в свою очередь, открыли путь к появлению принципиально новых информационных систем. Кстати, научно-исследовательская группа Орегонского университета предложила технологию их изготовления на основе ZnO еще в 2003 г. Ими создана первая в мире полностью прозрачная интегральная схема из неорганического соединения. Это пятиступенчатый кольцевой генератор – прибор, применяемый в микроэлектронике для нужд тестирования. Схема основана на ранее разработанных в университете прозрачных транзисторах из триоксида галлида индия – соединения, характеризующегося высокой подвижностью электронов, химической стабильностью, долговечностью и простотой изготовления при низких температурах. По сравнению с органическими аналогами, микросхемы на неорганических материалах имеют боóльшую подвижность носителей заряда, мобильность, химическую стабильность и износостойкость.

Сейчас ученые работают над созданием микросхем на базе полевых транзисторов с р-каналом, что позволило бы добавить в схемы полупроводники на основе окислов металлов и снизить энергопотребление. Разработка финансируется многими крупными организациями.

Группа ученых из Purdue University и NorthWest University также изготовила полностью прозрачные транзисторы, состоящие из отдельных нанопроводов, которые могут быть размещены на стеклянной подложке или на тонкой и гибкой пластиковой пленке.

Группа исследователей во главе с профессором Тобином Дж. Марксом (Tobin J. Marks) также разработала высокопроизводительные прозрачные транзисторы из стекла и пластика.

Они созданы на основе распространенного материала – ZnO (недорого, безопасного и легко обрабатывающегося). Оксид цинка обладает хорошей электропроводностью, его нетрудно раскатать тонким слоем без привлечения высокотемпературных технологий, кроме того, он безвреден для окружающей среды.

Прозрачные транзисторы помогут повысить качество ЖК-дисплеев, делая их экраны четче и ярче. Электронные устройства будущего можно будет встраивать в стекла домов или автомобилей, создавая новые формы подачи визуальной информации. Кстати, защитное стекло тех же ЖК-мониторов сейчас не выполняет никаких электронных функций, следовательно, от него можно будет избавиться, снизив вес ЖК-панелей. Области приложения новинки весьма широки: потребительская электроника, транспортные средства и, конечно же, военные разработки.

Доктор Маркс считает, что в результате можно будет конструировать «текстовые или графические дисплеи, которые будут казаться парящими в воздухе», такие, к примеру, как встроенные в ветровое стекло некоторых автомобилей или проецируемые на стекло в кабине пилотов боевых самолетов и вертолетов. Более того, как сообщается, эти инновационные экраны могут появиться в продаже совсем скоро: молодая компания Polyera должна выпустить первые коммерческие образцы уже через полтора года.

В общем, самое время помечтать о том, как окна можно будет за считаные секунды превратить в огромные телевизоры, а от старых избавиться раз и навсегда...

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT