Tištěná, ohebná, roztažná, nositelná, rozpustná a možná i jiná

„Je, jaká je“, zpíval kdysi Karel Gott, i když měl na mysli něco jiného než elektroniku. Tak jaká tedy je současná elektronika? Tištěná, ohebná, roztažná, nositelná, dokonce i rozpustná, a to ještě opomíjím často skloňovanou chytrou nebo organickou a ani neznám vhodný český výraz pro In-mold elekroniku.

Tato označení určitých druhů elektroniky vznikala postupně s tím, jak se objevovaly nové výrobní technologie, vlastnosti i možnosti použití. Jednotlivé druhy se navzájem prolínají a souvisí spolu.

Tak například tištěná elektronika jako způsob výroby nachází uplatnění u všech ostatních zmíněných druhů, zatímco roztažná elektronika označující vlastnost elektronického výrobku bývá těsně spojena s nositelnou, ohebnou i In-mold elektronikou atd. Protože se jedná o nové technologie, které si postupně nachází své místo u zákazníků, bývají souhrnně označovány jako „emerging technologies“.

O tištěné, ohebné i nositelné elektronice jsme se již na stránkách tohoto časopisu mnohokrát zmiňovali, např. [1] nebo [2], a proto se nyní zaměříme na dva další druhy elektroniky – roztažnou a rozpustnou.

Obr. 1 Příklady tištěné, nositelné, ohebné a roztažné elektroniky

Roztažná elektronika

Pojmem roztažná elektronika (stretchable electronics) se označuje elektronika, která může podle potřeby měnit svou velikost roztahováním do různých směrů. Mohlo by se také říci, že se jedná o pružnou elektroniku.

Míra roztažení může být i více než dvojnásobná oproti původnímu stavu, ale většinou se jedná o desítky procent, podle provedení a aplikace. Roztažnosti je dosaženo tím, že je elektronika vyrobena na/v pružné podložce z různých materiálů. V jednodušších případech jsou roztažné pouze spoje, zatímco součástky jsou klasické, např. LED či baterie atd. Vyrobit lze dnes ale i roztažné tranzistory, baterie, senzory a další součástky, takže celá elektronika může být roztažná.

Roztažná elektronika má úzké napojení na nositelnou (wearable) elektroniku, protože tam zatím nachází své nej- větší uplatnění. Nositelná elektronika, vyrobená většinou jako součást oděvu nebo připevněná přímo na tělo, musí být v mnoha případech roztažná, aby mohla být použitelná.

Nové uplatnění nachází roztažná elektronika v tzv. In-mold elektronice (IME). Tam se původně rovinná pružná podložka s elektronikou vytvaruje podle tvaru formy (a tím i roztáhne), přičemž se v novém tvaru zafixuje, třeba tím, že se stane součástí vystřikovaného plastového výrobku. V tomto případě se vyžaduje pouze jednostranné roztažení bez možnosti návratu do původního stavu.

Základním kamenem této elektroniky jsou pochopitelně roztažné spoje [3], které lze vyrobit například s pomocí vodivého inkoustu, ať už tiskem na podložku, nebo použitím vodivého textilního vlákna. Aby se mohl vodivý spoj roztáhnout co nejvíce, není přímý, ale různě zakličkovaný − viz obr. 2.

Obr. 2 Příklady provedení roztažných spojů (zdroj: Wei Wu [6])

Obr. 3 Ukázka roztažného solárního panelu pro nositelnou elektroniku (zdroj: Kaust)

Konzultační firma IDTechEx vydala zprávu „Stretchable and Conformal Electronics“ [4], v níž analyzuje současný stav a výhled vývoje oboru roztažné elektroniky jako dynamicky se rozvíjejícího odvětví elektroniky.

Roztažná, tištěná, nositelná a ohebná elektronika je také jedním z hlavních témat výstavy a konference IDTechEx Show (13.–14. května 2020, Berlín), kde je možné vidět praktické ukázky produktů i výrobních zařízení [5]. Výstava LOPEC (25.–26. března 2020, Mnichov) je naopak zaměřená na tištěnou a organickou elektroniku [6].

Rozpustná elektronika

Rozpustnou elektronikou (označovanou také jako transient, dissolvable, biocompatible atd.) se rozumí elektronický obvod a součástky, které se postupně rozpouštějí ve vodě nebo jiných kapalinách. Rozpouštění může trvat minuty až týdny nebo i déle, podle použitých materiálů a kapaliny, ve které se nachází – viz obr. 4. Princip rozpouštění je znám již delší dobu, ale na komerční využití ve větším měřítku si ještě chvíli počkáme − zatím se na tom pracuje většinou jen v laboratořích univerzit a výzkumných pracovišť.

Obr. 4 Průběh rozpouštění CMOS obvodu (zdroj: [1])

Jak je možné, že se elektronická součástka rozpustí? Může se to zdát divné, ale křemík, základní materiál dnešních součástek, lze rozpustit ve vodě, pokud je v tenkých vrstvách. Rychlost rozpouštění není sice velká, zhruba 5−90 nm/den, ale pro kompletní rozpuštění tenkých vrstev je dostačující [7]. Křemík se rozpouští díky hydrolýze, při které voda reaguje s křemíkem a vytváří kyselinu Si(OH)4, která není jinak škodlivá.

I když se organická elektronika také může rozložit na neškodné části, elektronické součástky založené na křemíku mají výhodu ve zvládnuté technologii výroby a v lepších vlastnostech. Výsledná elektronika, která zahrnuje součástky a spoje, bude muset kombinovat několik materiálů – například křemík u součástek a organické vodivé inkousty pro spoje atd.

A kde vlastně nalezne rozpustná elektronika své uplatnění? Určitě v medicínské technice, například v podobě různých senzorů, které se uvnitř lidského těla postupně rozpustí poté, co splní svou funkci. Takové senzory mohou monitorovat třeba činnost srdce, ledvin, žaludku nebo infekci po operaci. Jiným příkladem mohou být implantáty, které nebudou vyžadovat dodatečný chirurgický zákrok při nutnosti jejich odstranění. I když to je dnes předčasné, myslí se už také na elektroniku, která vyžaduje funkčnost pouze po určitou dobu, spotřební a kancelářskou elektroniku nevyjímaje – jedním z důvodů bude snaha omezit e-odpad.

Podívejte se na dvě videa, která názorně rozpustnou elektroniku vysvětlují [8], [9].