Роман Базаров
Тонкости материального производства
Диапазон параметров, которыми сегодня оперируют производители электронной техники, поистине безграничен. Габариты современных транзисторов измеряются уже миллиардными долями метра, а производительность компьютерных устройств — триллионами операций в секунду. Но технологический прогресс продолжает двигаться вперед с заметным ускорением, и ученые вместе с разработчиками не перестают трудиться над тем, чтобы быстродействие завтрашних процессоров было еще выше, размеры высококачественных дисплеев — еще больше, детали элементной базы — еще миниатюрнее, а полупроводниковые материалы — еще тоньше.
В середине нынешнего лета по всем специализированным средствам массовой информации прошло сообщение о том, что в университете Мэдисон (США, штат Висконсин) разработана новая технология создания пленочных полупроводников толщиной в несколько сотен нанометров, которая может значительно улучшить все ключевые характеристики электронных приборов следующего поколения.
Полупроводники вместо целлюлозы
Нанометровый слой полупроводниковой пленки может быть перенесен на любой пластичный материалАмериканским ученым удалось осуществить процесс отделения тончайшей полупроводниковой пленки от подложки, на которой она была выращена, и теперь этот слой сечением всего в один кристалл может быть перенесен на стекло, пластмассу, ткань или любой другой пластичный материал и послужить основным компонентом производства электронных структур исключительной гибкости и легкости. Больше того — перед нанесением на новую поверхность на обратной стороне этой пленки можно разместить другие полупроводниковые элементы, изготовленные по аналогичной технологии, удваивая таким образом функциональную эффективность конечных устройств. Из нескольких слоев двусторонних пленок можно формировать уже трехмерные полупроводники высокой производительности и минимального энергопотребления, что открывает широчайшие перспективы дальнейшего развития так называемой «мнущейся» электроники во всех ее проявлениях.
«Важно отметить, что полупроводник представляет собой монокристаллическую пленку из напряженного кремния или кремния-германия, — комментирует свое изобретение руководитель исследовательской группы из Мэдисона — профессор электроники и информатики Ма Чженцзян. — Натяжение создается так же, как на мембране. С появлением напряженности в кристалле меняется структура — атомы перестраиваются, и таким образом мы можем увеличить быстродействие и одновременно снизить энергопотребление». По мнению авторов разработки, кремниево-германиевые мембраны представляют особый интерес. Германий имеет гораздо большую восприимчивость к свету, чем кремний. Если добавлять германий, не нарушая качество полупроводниковой пленки, можно получить устройства, светочувствительность которых на два-три порядка выше, чем у ныне существующих. Эта возросшая светочувствительность позволит создавать камеры, работающие при слабом освещении, и миниатюрные камеры высокого разрешения.
«Таким образом, происходит потенциальная смена парадигмы, — дополняет своего коллегу другой ведущий научный сотрудник группы — специалист в области материаловедения Макс Лагалли. — Технология создания быстрых, многослойных полупроводников с низким энергопотреблением везде найдет применение». Гибкие полупроводниковые структуры могут найти приложение и уже довольно широко используются в разнообразных компьютерных устройствах, средствах мобильной связи, всевозможных медицинских приборах, предметах бытовой электроники, солнечных батареях, смарт-картах, микросхемах радиоидентификации и т. д., и т. п. Причем в каждом конкретном случае они способствуют значительному улучшению эксплуатационных свойств и технических параметров соответствующих изделий.
Одним из первых вариантов практического использования гибких полупроводниковых структур явилась «электронная бумага» — сверхтонкое дисплейное устройство, которое можно как угодно сгибать, складывать, мять или сворачивать в трубочку. «Электронная бумага» надежна и долговечна, она может храниться в любых условиях и служить в тысячи раз дольше обычной. Она экологически безопасна и, что самое главное, область ее применения по сути дела беспредельна: как утверждают ее разработчики, она в ближайшей перспективе способна будет составить конкуренцию целлюлозе в производстве книг, газет и журналов, а уже сейчас с успехом внедряется в сферу изготовления мониторов, проекционной техники, рекламных панно и так далее. Пять лет тому назад компания Philips Research представила публике компьютерный дисплей размером 5х5 сантиметров, который можно было сворачивать в рулон. Примерно в то же время свои разработки в этой области начали вести Массачусетский технологический институт, Xerox, IBM Research, Motorola, Japan’s Toppan Printing Company и многие другие.
От «электронной бумаги» к «электронной книге»
Технология OLED стремительно набирает популярность во всем миреПроцесс «печати» на «электронной бумаге» изначально предусматривал два альтернативных технологических способа. При одном из них миллионы микроскопических капсул заполняются жидкостью, в которой плавают положительно заряженные частицы белого цвета и отрицательно заряженные частицы черного цвета. Попадая в электрическое поле, они либо поднимаются к поверхности листа, в котором заключены капсулы, и тем самым формируют изображение, либо остаются невидимыми. В другом случае на прозрачном пластиковом листе располагается такое же множество заряженных шариков, которые плавают в специальных углублениях, заполненных маслянистой жидкостью. Контрастные по цвету (черно-белые, красно-белые), шарики отображают заданную картинку, под действием внешнего заряда поворачиваясь к поверхности тем или другим боком.
Такие «чернила» для «электронной бумаги» были разработаны американской компанией E-Ink. В 2003 году на фабрике ее японского партнера — фирмы Тoppan Printing — начали производиться прозрачные тонкопленочные ламинированные панели с содержащими «чернила» микрокапсулами. Корпорация Philips (имеющая, кстати, крупную долю в E-Ink) стала размещать полученную от Toppan пленку на активно-матричной подложке и осуществлять окончательную сборку «электронно-бумажных» дисплеев. А компания Sony на правах давнего сотрудничества с Philips в области разработки мобильных дисплеев взялась за создание на их основе коммерчески готовой продукции. Весной 2004 года была анонсирована первая «электронная книга» Sony (модель EBR-1000EP) стоимостью 375 долларов, страница которой представляла собой 6-дюймовый пленочный экран с разрешением 800х600 точек (капсул), что вполне соответствовало качеству газетной печати. Максимальная контрастность экрана при этом равнялась 9:1, а поскольку энергия такой книгой расходовалась только при смене изображения (или при включении дополнительных функций: будильника, карт-ридера MemoryStick, поддержки голосовой связи и т. п.), то четырех батареек формата AAA пользователю хватало для чтения 10 тысяч страниц.
Прошлой осенью специалистам компании E-Ink и совместного предприятия LG — Philips LCD удалось создать «электронную бумагу» с диагональю листа 10,1 дюйма. Монохромный дисплей имеет толщину менее 300 микрон и разрешение VGA (600х800 точек), т. е. примерно 100 точек на дюйм. Первые пилотные ее образцы были выпущены на корейской линии, предназначенной для производства тонкопленочных транзисторов. «Эти гибкие дисплеи на 80% тоньше и легче стеклянных и, в отличие от них, не бьются, — отмечал исполнительный директор E-Ink Расс Уилкокс. — Их можно свернуть в трубку и засунуть в карман. Экран можно обернуть вокруг мобильного телефона или сложить, как газету. К тому же он потребляет в 100 раз меньше электроэнергии, чем обычный».
В развитие этих успехов корпорация NEC разработала ультратонкий и гибкий перезаряжаемый источник питания с высокой удельной эффективностью на основе новой технологии — органических радикалов. Его небольшие размеры и пластичность позволяют встраивать его в листы «электронной бумаги» и любые изготавливаемые из нее изделия. Помимо вышеперечисленных достоинств, новая батарея обладает необычно малым временем перезарядки — всего 30 секунд. Емкость батареи составляет около 1 мВт в час на 1 кв. см. Подобная удельная плотность энергии позволит, к примеру, устройству радиоидентификации обеспечить десятки тысяч циклов взаимодействия без перезарядки батареи.
Та же компания E-Ink уже приступила к поставке заинтересованным производителям конечных устройств OEM-комплектов с 6-дюймовым «электронно-бумажным» дисплеем. Комплект электрофоретического активно-матричного TFT-устройства представляет собой плату с процессорами Gumstix и XScale PXA255 и набором коммуникационных входов/выходов. Работает плата под управлением операционной системы Linux. Для коммуникаций используются интерфейсы RS-232, Bluetooth и USB. Плата оснащается также 256-мегабайтной картой памяти стандарта MMC. Питание прибора обеспечивается посредством литий-ионного аккумулятора. Стартовая цена комплекта составила 3 000 долларов.
Самовоспроизводящаяся техника
Тем временем британская компания Cambridge Display Technology разработала технологию, позволяющую производить работающие полнофункциональные гибкие мониторы путем… распечатки на струйном принтере. Уже показана возможность печати работающих 14-дюймовых экранов разрешением 1280х768, и это — далеко не предел. В настоящее время технология P-OLED (polymer-organic light-emitting diode — технология полимерных светоизлучающих диодов) все чаще рассматривается в качестве преемника жидких кристаллов, используемых в плоских телевизорах, мониторах настольных и портативных компьютеров. Используемые в мониторах, сделанных по технологии P-OLED, материалы сами излучают свет и не нуждаются в дополнительной подсветке, повышающей энергопотребление устройства, его толщину и стоимость. Разрешение OLED-дисплеев выше, чем у жидкокристаллических дисплеев. В принципе, дисплеи на основе органических светодиодов можно наносить на гибкую подложку, создавая гнущиеся дисплеи.
Но самое главное — производство OLED-дисплеев с внедрением печатной технологии обойдется существенно дешевле. В компании Cambridge Display Technology дисплеи были созданы поэлементно с помощью специальных принтеров с 128 дюзами, разработанными фирмой Litrex. RGB-дисплей с разрешающей способностью 1280х768 содержит около 3 млн. элементов. Для их создания на подложку было нанесено около 30 млн. отдельных капелек. Подложкой для дисплея служит аморфный кремний. «Мы изумлены темпами прогресса, которые демонстрируют эти последние дисплеи, — говорил исполнительный директор Cambridge Display Technology Дэвид Файф. — Не так-то просто получить высококачественный продукт, когда только отрабатываешь конструкцию дисплея и производишь их очень малыми партиями. Именно поэтому очевидное качество изображения и отсутствие сколько-нибудь серьезных дефектов особенно ободряет нас».
Технология OLED стремительно набирает популярность во всем мире. За 2005 год прирост объемов производства базирующейся на ней продукции вырос на 82%, достигнув количественного показателя в 14,2 млн. экранов. Производители OLED-дисплеев уже вполне способны конкурировать в доходности с производителями мелких и средних TFT/LCD-мониторов: в прошлом году им удалось заработать 124,8 млн. долларов. Лидирует на этом участке рынка компания Samsung, продажи которой в прошлом году составили 37,2 млн. долларов, второе место занимает фирма RIT Display, получившая 28,1 млн., а на третьем, четвертом и пятом местах расположились Pioneer ($19,6 млн.), Univision ($14,1 млн.) и LG Electronics ($6,5 млн.).
OLED-технология нашла широкое применение в мобильных телефонах и другой портативной электронике, но самый высокий процент применения OLED-дисплеев приходится на МР3-плееры. На сегодня до 42,2% из них комплектуются экранами, выполненными по этой технологии.
«Перепечатка» живых организмов
Сверхтонкое дисплейное устройство можно как угодно сгибать, складывать, мять или сворачивать в трубочкуВ университете английского города Бат ведутся разработки недорогого 3D-принтера, который сможет воспроизводить точные копии самого себя. Прибор, получивший обозначение RepRap (self replicating rapid prototyper, самовоспроизводящийся скоростной 3D-принтер), позволит резко снизить стоимость устройств этого класса, открыв дорогу для воспроизводства деталей или комплектующих машин простой «печатью» их в домашних условиях. Разумеется, таким образом можно будет не только тиражировать уже имеющиеся предметы, но и создавать новые, уникальные и неповторимые.
Начало эпохи 3D-принтеров, позволяющих воплотить компьютерные чертежи в реальные объекты, формируя их в виде набора последовательно наносимых слоев, относится к середине 90-х годов. Слои скрепляются либо лазерной сваркой, либо клеем, также наносимым с помощью принтера. Футурологи полагали, что со временем 3D-принтер появится в каждом доме. Правда, пока это время еще не наступило. Современные 3D-принтеры стоят около 25 тыс. долларов, что препятствует их превращению в массовый товар. Тем не менее, в промышленности 3D-принтеры уже используются — например при создании комплектующих для авиадвигателей, аэрокосмической техники, а также слуховых аппаратов. Однако последние разработки британских ученых показывают, что создание недорогого бытового 3D-принтера не за горами.
Еще в 2003 году ученый Владимир Миронов из медицинского университета Северной Каролины предложил модифицировать струйные принтеры, заправляя их клеточной суспензией вместо чернил, что позволит создавать трехмерные структуры живых тканей, а в перспективе — и целые органы. В настоящее время использование струйных принтеров для нанесения образцов ДНК, белков и даже клеток на специальные аналитические планшеты уже практикуется во многих лабораториях. Однако создание с помощью принтера трехмерных структур живых тканей пока остается нерешенной, но насущной задачей. В настоящее время ряд исследовательских коллективов пытается разработать альтернативные методики создания трехмерных структур.
Для создания с помощью принтера трехмерных структур Миронов предложил использовать «термообратимый» гель. Нетоксичный биоразрушающийся гель имеет жидкую консистенцию при температуре 20о С, но при 32 о твердеет. Эксперименты показали возможность создания на стелянной подложке трехмерных структур при помощи поочередного нанесения слоев клеточного материала и геля. Клеточные структуры легко объединяются друг с другом, образуя требуемый фрагмент ткани, после чего удаление геля не представляет большой проблемы. Новая методика в перспективе позволит создавать также и сложные типы тканей, состоящих из различных видов клеток, — для этого надо лишь залить в картриджи вместо чернил различных цветов составы с клетками различных видов.
Вот уж воистину — современный технологический прогресс безграничен. То есть границ, разделяющих научные области и сферы практического применения новых изобретений и разработок, сегодня уже не существует.