Printed electronics, l’estrema frontiera

L’elettronica stampata o printed electronics è una tecnologia emergente di progettazione e realizzazione dei circuiti elettronici tramite un processo di stampa su supporti piani, simile al processo di stampa su carta dei testi e delle immagini. L’elettronica stampabile è rappresentata da un insieme di tecnologie che concorrono alla realizzazione di circuiti elettronici a elevato livello di embedding su superfici piane tramite un processo simile a quello utilizzato per la stampa (inchiostri, stampanti, plotter, ecc.). Grazie a questa tecnologia è possibile conferire ai circuiti elettronici caratteristiche uniche e particolarmente eccezionali, come la possibilità di impiantare un circuito in un organismo vivente (per esempio sulla pelle), di ingerire un circuito elettronico, di ottenere spessori dei circuiti elettronici di dimensioni ulta-sub millimetrica, illimitatamente flessibili, riproducibili in quantità elevate in maniera estremamente economica, elevatissima tolleranza ai guasti, trasparenza, ecc. La tecnica di stampa ricalca quella tradizionale della tipografia, rotativa e a getto di inchiostro e di conseguenza si avale delle relative tecnologie di stampa. L’elettronica stampata, a differenza di quella tradizionale dei circuiti stampati o Pcb, non si limita alla interconnessione (piste di interconnessione tra i componenti elettronici), ma stampa anche la parte funzionale dei componenti elettronici oltre alla loro interconnessione elettrica tramite le classiche piste conduttive. I supporti per l’elettronica stampata possono essere fogli di carta o di plastica e il materiale conduttivo elettronico possono essere inchiostri conduttivi o isolanti. Con questa tecnica risultano particolarmente semplici la realizzazione di parti elettroniche come le antenne e i sensori, e con qualche maggiore difficoltà funzioni elettroniche come le memorie, gli amplificatori, le batterie, i condensatori, resistenze, ecc. I campi applicativi dell’elettronica stampabile sono molteplici e tutti caratterizzati da un elevato tasso di innovazione come per esempio quello della domotica, quello dell’e-health, quello della grafica interattiva, abbigliamento intelligente, ecc. Una delle principali peculiarità dell’elettronica stampabile sta nel fatto che il materiale, essendo di natura organico, può essere stampato in sovrapposizione ottenendo un enorme guadagno in termini di spazio e offrendo anche quasi assoluta trasparenza.

I materiali organici per l’elettronica

I materiali organici conduttivi e semiconduttivi sono l’equivalente del silicio per la realizzazione dell’elettronica stampabile, in quanto compatibili con la natura flessibile del supporto tipico dell’elettronica stampabile, supporti flessibili e a fogli. I materiali organici adatti all’elettronica sono composti polimerici del carbone, che opportunamente drogati possono controllare opportunamente la conduttività elettrica conservandone le principali prerogative, l’elasticità e la flessibilità. I primi dispositivi elettronici basati su materiale organico risalgono agli anni ’80 (per esempio il primo diodo organico fu realizzato presso i laboratori della Kodak nel 1987). Significativa è stata successivamente la scoperta della capacità di emissione di luce dei diodi organici che ha portato allo sviluppo della tecnologia Oled (Organic light emission diode) e delle relative applicazioni nel campo dei dispositivi di visualizzazione. Il passo successivo al diodo organico è stato il transistor organico, cioè il Fet Organico od Ofet, basato su un componente organico chiamato Polythiophene, caratterizzato da una elevatissima conduttività, quindi capace di comportarsi come un semiconduttore. Il transistor organico è stato il primo passo verso l’elettronica organica che ha consentito lo sviluppo dell’elettronica stampabile. Altri materiali organici di cui è stata enfatizzata la capacità conduttiva e semiconduttiva hanno consentito di mettere a punto una soddisfacente quantità di funzioni elettroniche a base organica.

L’elettronica diventa invisibile

L’elettronica invisibile è una conseguenza dell’elettronica stampabile resa possibile dal risultato dell’implementazione dei transistor stampabili trasparenti. L’elettronica invisibile consente di aggiungere qualsiasi funzionalità elettrica ed elettronica a qualsiasi dispositivo, semplicemente applicando a questo una particolare pellicola plastica trasparente sulla sua superficie. Il film plastico contiene tutta la necessaria funzionalità elettronica per svolgere la funzione per cui è finalizzata, inclusa l’alimentazione (cioè la batteria). L’elettronica stampabile, con la sua peculiarità della invisibilità e della flessibilità, apre campi applicativi caratterizzati da tassi di crescita molto superiori a quelli dell’elettronica tradizionale. Per esempio la pelle intelligente, cioè la possibilità di applicare a sistemi complessi una ricopertura pellicolare con funzioni elettriche ed elettroniche, come per esempio i mezzi di trasporto aerei, è uno scenario applicativo di enorme grandezza soprattutto se la funzione svolta dall’elettronica stampabile è quella dell’energy harvesting. Altre applicazioni conseguenti sono i poster intelligenti, il packaging intelligente, il labeling intelligente e così via. Per esempio poster audio interattivi sono stati già implementati e messi in uso nei sottopassaggi stradali di Tokyo.

La realtà produttiva

Nella ricerca e sviluppo industriale dell’elettronica stampabile si sono impegnate alcune realtà produttive come per esempio Printed Electronics, una società britannica che ha sviluppato una specifica esperienza tecnologica e produttiva in ambito di elettronica stampabile. Le competenze che questo tipo di società ha sviluppato riguardano tutti gli aspetti della progettazione di sistemi ad elettronica stampabile, per esempio relativamente alla stampa, in particolare le stampanti a getto di inchiostro e di deposito funzionale dei materiali con risoluzione sub micron in spazi 2D e 2.5D. L’alimentazione dei circuiti stampabili fa riferimento a batterie stampate su carta o a sistemi di harvesting stampati su pellicole applicabili alle superfici degli oggetti.

Le etichette intelligenti

Già da tempo esistenti, le smart label sono particolari etichette di identificazione che furono introdotte con la tecnologia Rfid, in quanto consentivano a un prodotto cui venivano applicate come etichette cartacee adesive di interagire con il consumatore tramite dispositivi dotati della medesima tecnologia Rfid. Con l’elettronica stampabile le smart label si sono oggi evolute dal punto di vista funzionale, integrando funzionalità di misura grazie a sensori capaci di misurare grandezze fisiche, come la temperatura e il tempo, e grandezze chimiche, come i gradi di acidità, allo scopo di monitorare fisicamente lo stato di qualità dei prodotti, indipendentemente dalla disponibilità da parte del consumatore di disporre di specifici dispositivi di lettura. Grazie alla tecnologie di elettronica stampabile per la visualizzazione (come Led e display) e all’energy harvesting stampabile, le smart label sono su carta l’equivalente di un microcontrollore dotato di interfacce analogiche e alimentato a batteria che permette di monitorare lo stato di conservazione di prodotti alimentari o medicinali.

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