Российские инженеры создали пленку, которая регулирует прозрачность за секунды

ЭкспертHi-Tech

Умное стекло на гибкой подложке

Российские компании разрабатывают технологии гибкой электроники для самых разных нужд — от солнцезащитных очков до строительства — и вполне могут стать мировыми лидерами в этой сфере

Полина Юдина

Лидерские стартапы уже разрабатывают умные контактные линзы

Солнцезащитные очки, горнолыжные и сноубордические маски и мотоциклетные шлемы в скором времени будут делаться с возможностью переключения степени затемнения. Новинку разработали инженеры Российского центра гибкой электроники (РЦГЭ, основан группой «ТехноСпарк»), пытаясь улучшить свойства электрохромного стекла (ECD), которое много лет используется при строительстве офисов и медицинских учреждений. В зависимости от напряжения пропущенного тока такое умное стекло может менять свою прозрачность, звуко- и теплоизоляционные свойства.

Российские инженеры из РЦГЭ создали технологию, которая регулирует прозрачность пленки за сотые доли секунды. Теперь такое стекло планируется встраивать в фары, окна и люки отечественных автомобилей, а в дальнейшем и в обычные очки с диоптриями, превращая их по щелчку переключателя в солнцезащитные. Разработкой этой технологии занимается петербургский стартап «СмартХелио» в партнерстве с петербургским Университетом ИТМО (Институт точной механики и оптики).

Новый гибкий рынок

Гибкая электроника — динамично растущая отрасль. Совокупный объем выпуска печатной, гибкой и органической электроники, по прогнозам международной компании IDTechEx, к 2030 году достигнет 74 млрд долларов в год. Российский рынок гибкой электроники пока находится в стадии становления. По оценкам гендиректора РЦГЭ Алексея Гостомельского, сегодня в стране работает не более десятка компаний, профессионально занимающихся изготовлением электронных компонентов или устройств с помощью таких технологий.

Гендиректор РЦГЭ Алексей Гостомельский

Современные методы печатной электроники открывают широкие возможности для инновационных разработок и создания новых рыночных ниш: гибких сенсоров, экранов и печатных плат, токопроводящих красок, умной упаковки. Например, светодиодный экран, вмонтированный внутрь стеклопакета, можно использовать в качестве дисплея, при этом светопропускание снижается всего на 15–20%. Производство гибких дисплеев, OLED-подсветки, солнечных батарей и различных датчиков интернета вещей, RFID-меток в последние годы вышло на новый уровень благодаря расширению спектра материалов, которые можно применять в качестве подложек для печати. Например, электронные компоненты умной упаковки можно печатать прямо на бумажной основе, так же как и RFID-метки, которые используются для учета товара на складе или заменяют штрихкод при оплате продукта. С помощью технологий гибкой электроники могут создаваться антибактериальные светодиодные полотна для медицинских учреждений, лабораторных помещений, продуктовых магазинов и складов.

Тонкопленочные (гибкие) резисторы востребованы в производстве принтеров, материнских плат компьютеров, серверов, сканеров, промышленного электрооборудования (конверторов и измерительных приборов), бытовой техники (аудиоусилителей, тюнеров, жидкокристаллических дисплеев) и автомобильной электроники. Заинтересованы в такой технике и военные: так, в США по инициативе министерства обороны в 2015 году была запущена разработка сенсорных экранов-датчиков, которые оборачиваются вокруг руки или крыла летательного аппарата. В медицине гибкая электроника задействована как материал с датчиками, плотно прилегающий к коже: для контроля течения беременности, заживления ран.

Компания Google представила умную контактную линзу с сенсором глюкозы, которая следит за уровнем сахара в крови. «Конечно, гибкая электроника не вытеснит полностью традиционную кремниевую, но займет свои пять процентов этого рынка», — считает Олег Лысак, генеральный директор группы компаний «ТехноСпарк».

Тридцать лет открытий и разработок

История гибкой электроники началась в 1990-е. Тогда исследования стартовали одновременно в американском Массачусетском технологическом институте (MIT) и финской государственной исследовательской компании VTT, образованной еще в 1942 году. Одним из первых стартапов в области гибкой электроники, получивших венчурные инвестиции, стал американский E-Ink (от electronic ink — «электронные чернила»). К 2001 году в мире было уже несколько компаний, занимающихся гибкой электроникой: E-Ink, Plastic Logic (Германия) и Kovio (США). Plastic Logic в 2001 году приступила к созданию гибких дисплеев.

Разработки сопровождались множеством научных прорывов. В 2000 году группа ученых из Пенсильванского и Калифорнийского университетов (США) и Университета Цукубы в Японии даже получила Нобелевскую премию по химии за превращение пластмассы в электрический проводник. Это и другие открытия дали старт развитию электроники, основанной на органических материалах.

В 2016 году американский гигант Amazon, а точнее его подразделение Amazon Go, начал использовать одноразовую электронику — RFID-метки на товарах.

Российский центр гибкой электроники начинал с тонкопленочных транзисторов

В 2020 году, когда мировой рынок гибкой, печатной и органической электроники достиг 41,2 млрд долларов, появился Российский центр гибкой электроники — сначала в виде производственного здания с чистыми помещениями в Троицке, а к 2021 году — в виде линий по выпуску тонкопленочного транзистора (TFT, thin film transistor) на основе технологии, созданной в Кембридже (Великобритания) и iMEC (Бельгия). Главная особенность TFT в том, что он использует альтернативный кремнию полупроводниковый органический материал, или IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide). Инвестиции в РЦГЭ превысили четыре миллиарда рублей: на них построили здание и закупили оборудование.

Уже в 2022 году на базе TFT в Троицке было запущено производство харвестеров — приборов, превращающих свет, как солнечный, так и искусственный, в электричество; такие приборы могут использоваться для питания IoTдатчиков на производстве или электронных ценников в гипермаркетах. Гознак планирует задействовать харвестеры РЦГЭ для питания печатных датчиков. Заместитель начальника отдела полиграфических защитных технологий института Роман Коняшкин рассказал на ExpoElectronica, что в НИИ — филиале АО «Гознак» сейчас формируется лаборатория печатной электроники и уже разработаны прототипы гибких датчиков влажности, температуры и давления.

TFT-матрицы для дисплеев также применяются для выпуска электронной бумаги, жидкокристаллических экранов и OLED-дисплеев, биометрических сенсоров, детекторов рентгеновского излучения, радиочастотных (RFID) меток и датчиков, гибких интегральных микросхем.

Изначально центр специализировался на разработке транзисторных матриц, которые используются для управления дисплеями. Современные дисплеи чаще всего сделаны на основе жидких кристаллов — но как с помощью транзисторных матриц управлять жидкокристаллической оптикой, то есть созданием различных растров на жидких линзах и управляемых жидкокристаллических линзах? Напомним, что растр — это множество мелких точек, из которых составляется изображение (для компьютера растр — пиксели, из которых состоит фотография).

Столкнувшись с такой задачей, инженеры РЦГЭ начали экспериментировать с затемнением поверхности стекол и гибких пленок. На рынке уже с 1980-х годов существовало электрохромное стекло (его еще называют «смарт-стекло» или «умное стекло»), которое под воздействием электрического напряжения меняет свою прозрачность или становится прозрачным изнутри и непрозрачным снаружи. Ионный ток заставлял стеклянную поверхность изменять свою светопропускающую способность. Но вот скорость такого изменения оставляла желать лучшего: она доходила до 20 минут. Российские инженеры решили усовершенствовать технологию и предложили соединить гибкую подложку РЦГЭ с жидкокристаллической смесью, которую делала белорусская компания MTLCD. «Преимущество нашей идеи в том, что мы предлагаем решение на гибкой пленке. В отличие от вариантов на стеклах, которые основаны на эффекте светопропускания, скорость переключения здесь составляет порядка 10 миллисекунд, то есть для человеческого глаза это происходит практически незаметно», — говорит Алексей Гостомельский.

На производстве Российского центра гибкой электроники

Электрохромные стекла, которые традиционно применяются для затемнения окон и стеклянных конструкций в архитектуре и медицине, используют электрический ток. А в случае гибкой пленки РЦГЭ режимы управляются не током, а электрическим полем. Такое поле переключает положение жидкого кристалла в пространстве с помощью эффекта «гость—хозяин». Открытие этого эффекта в 1960-х годах группой Джорджа Хейлмейера из Принстонского университета (в 1975–1977 годах Хейлмейер возглавлял Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США, DARPA) привело к появлению в 1968 году плоских жидкокристаллических экранов. В 1987 году за использование эффекта «гость—хозяин» троим ученым-химикам была присуждена Нобелевская премия.

Кадры для гибкой электроники

В области техники на основе кремния СССР еще в 1980-х годах безнадежно отстал от США, однако в сфере гибкой электроники у России есть шанс войти в группу стран-лидеров. «Строительство фабов по новым технологиям в кремниевой электронике — это инвестиции в десятки миллиардов долларов, окупаемость которых возможна только на глобальном рынке. У российских игроков на данный момент такие возможности ограничены, в том числе поэтому на данный момент российские фабы существенно отстают от азиатских или фабов условного Intel. РЦГЭ же изначально занимался микроэлектронными технологиями последнего поколения, и благодаря этому Россия пока что идет в ногу со временем», — указывает Алексей Гостомельский.

По мнению экспертов, одной из ключевых проблем отечественной электронной промышленности является необеспеченность кадрами — на это указывал каждый третий из опрошенных социологическим факультетом Финансовой академии участников прошедшей в Москве выставки ExpoElectronica-2022. Однако сфера печатной электроники кадрами уже обеспечена. «Мировое развитие печатной электроники находится на стадии формирования: проводится научный поиск, разрабатываются прототипы устройств и производятся мелкосерийные партии. У нас есть возможность стать одним из лидеров в данном направлении», — уверен Роман Коняшкин.

Недавно в Московском политехе открылась магистратура по печатной электронике (специальность 29.04.03 «Технология полиграфического и упаковочного производства. Полиграфические технологии в нано- и микроэлектронике»). Всего на данный момент прошло два набора: в 2020 и 2022 годах, каждый выпуск — 15 специалистов. Бывшие студенты, а ныне инженеры-технологи работают на предприятиях, изготавливающих упаковку, в том числе с маркировкой «Честный знак», в компаниях — дистрибьюторах расходных материалов для полиграфической и упаковочной промышленности, становятся научными сотрудниками различных институтов и организаций.

Предполагается, что система защиты продукции от контрафакта «Честный знак» к 2024 году охватит все отрасли промышленности — от сигарет и лекарств до одежды и детского питания. Пока маркируются отдельные категории товаров: шубы, духи, бутилированная вода, пиво, молочная продукция, сигареты и некоторые другие. «Если в качестве маркировки использовать обычный QR-код, то его несложно подделать: сделать копию и переклеить», — говорит Олег Лысак. По его словам, в будущем дорогостоящую продукцию и лекарства гораздо надежнее маркировать RFID-метками на базе гибкой электроники. Такие метки могут стоить от трех до десяти рублей за штуку, с дальнейшим снижением цены до одного рубля и менее при масштабировании для маркировки товаров массового спроса.

Схема расположения молекул в жидком кристалле

Источник: Дмитрий Кикоть «Бег с препятствиями для света: жидкие кристаллы в помощь», 2018

В перспективе RFID-метки можно использовать в ретейле. Например, Amazon предлагал создать магазины без кассиров и охранников: посетители брали бы здесь продукты и товары с RFID-метками и проходили с ними через специальный турникет, который способен автоматически считывать коды, суммировать и снимать деньги с карты покупателя. Авторизация в магазине может происходить с помощью системы NFC мобильного телефона (оплата телефоном на кассе — широко известная операция в супермаркетах). По словам Ирины Нагорновой, директора Полиграфического института Московского политехнического университета, программа магистратуры Московского политеха по печатной электронике готовит специалистов по производству печатных сенсоров, изделий in-mold и гибкой электроники и фотоники, умной упаковки с применением полиграфических технологий. Обучение проводится с использованием высокотехнологичного научного оборудования и с привлечением специалистов из отрасли. Основными партнерами по программе являются НИИ Гознака, «Упаковочные системы», зеленоградская ЭЛТА.

В России, по данным Нагорновой, печатной электроникой в части промышленного изготовления тест-полосок глюкометров занимается ЭЛТА, продукцию с применением таких технологий выпускает компания «Данафлекс Нано» (Татарстан). В этом же направлении работают Санкт-Петербургская образцовая типография и татарстанская «Тасма», которая после окончания эры пленочной фотографии выпускает пленки различного назначения.

Олег Чурилов, руководитель департамента развития технологического предпринимательства и трансфера технологий Минобрнауки России, отметил, что к обеспечению кадрами электронной промышленности постепенно привлекаются и российские инженерные гиганты: в феврале 2023 года Минобрнауки сформировало новый проект «Развитие кадров и научного фундамента электронной промышленности», куда вошли МФТИ, МИСиС, МИФИ и МИЭТ.

Фото: ТАСС, из личного архива Алексеия Гостомельского, предоставлено российским Центром гибкой электроники

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Российская селекция застряла в прошлом Российская селекция застряла в прошлом

Российские селекционные компании готовы за несколько лет заместить импорт семян

Эксперт
Эмпатия — это выгодно: почему хорошее отношение повышает эффективность сотрудников Эмпатия — это выгодно: почему хорошее отношение повышает эффективность сотрудников

Отрывок из книги «Искусство доброты» Клодии Хэммонд

Forbes
Сто цветов китайского автопрома Сто цветов китайского автопрома

Автомобильная промышленность КНР готова преподать урок конкурентам

Эксперт
Алексей Иорш Алексей Иорш

Алексей Иорш занимается живописью, графикой, стрит-артом и поднимает важные темы

Правила жизни
Зачем России мигранты Зачем России мигранты

Хотя мигрантов в России достаточно, миграционной политики в стране нет

Эксперт
Ритуалы в день рождения: что делать, чтобы привлечь удачу на весь год Ритуалы в день рождения: что делать, чтобы привлечь удачу на весь год

День рождения — не просто дата, которая прибавляет года и полезные презенты

VOICE
Свобода слова по-французски Свобода слова по-французски

Франция создала систему контроля альтернативного государственной линии мнения

Эксперт
7 книг нобелевских лауреатов по литературе 7 книг нобелевских лауреатов по литературе

Книги, отмеченные шведскими академиками

СНОБ
Москву окольцевали Москву окольцевали

В Москве запущена Большая кольцевая линия метро — длиннейшее метрокольцо в мире

Эксперт
Исправление судьбы: как вернуть свою жизнь в правильное русло Исправление судьбы: как вернуть свою жизнь в правильное русло

Если ощущаешь, что проживаешь не свою жизнь, самое время внести коррективы

VOICE
Точечное попадание Точечное попадание

Прыщи на спине нередко сигнализируют о какой-то проблеме. Что их провоцирует?

Лиза
«Черный сад» раздора «Черный сад» раздора

Какими рисками для России чреваты мирные соглашения Армении и Азербайджана

Эксперт
Три десятилетия московской архитектуры: от капромантизма к будущему Три десятилетия московской архитектуры: от капромантизма к будущему

Разбираемся, что появилось в Москве в эпоху стихийной застройки

РБК
Спасательный круг Спасательный круг

Как оформить кредитные каникулы в 2023 году – пошаговая инструкция

Лиза
Что надеть, чтобы стать счастливее: объясняет психолог Что надеть, чтобы стать счастливее: объясняет психолог

Какая одежда способна сделать нас по-настоящему счастливыми?

Psychologies
Кто остановит поезда Кто остановит поезда

«Транспневматика» вложит сотни миллионов рублей в производство дисковых тормозов

Эксперт
Связанные одной цепью Связанные одной цепью

Большинство людей, которые курят, уверены, что это помогает им не толстеть

Здоровье
Вокруг Москвы: куда отправиться в путешествие одним днем Вокруг Москвы: куда отправиться в путешествие одним днем

Заброшенные усадьбы и храмы, пляжи и водопады — куда съездить из Москвы

РБК
PCM-методика в психологии: что это и с чем ее едят? PCM-методика в психологии: что это и с чем ее едят?

РСМ-методика: как она была разработана и испытана? Где применяется?

Psychologies
Почему сейчас кино Ингмара Бергмана может быть нам близко, как никогда раньше Почему сейчас кино Ингмара Бергмана может быть нам близко, как никогда раньше

Почему не нужно бояться фильмов Ингмара Бергмана?

Правила жизни
Как правильно хранить фрукты: 7 принципов, которые предотвратят порчу продуктов Как правильно хранить фрукты: 7 принципов, которые предотвратят порчу продуктов

Как продлить свежесть любимых продуктов и таким образом сэкономить деньги?

ТехИнсайдер
«Я стала более открытой» «Я стала более открытой»

Она принадлежит к тому типу актрис, которые «взрослеют» довольно долго

OK!
7 изматывающих и бессмысленных привычек, которые есть почти у каждого 7 изматывающих и бессмысленных привычек, которые есть почти у каждого

Семь вредных привычек, которые могут высасывать из вас энергию

Maxim
DeepMind разработала робота-футболиста: он умеет бить по мячу и толкать соперника DeepMind разработала робота-футболиста: он умеет бить по мячу и толкать соперника

DeepMind разработала антропоморфных роботов-футболистов

ТехИнсайдер
Прямая речь: Майли Сайрус Прямая речь: Майли Сайрус

Майли Сайрус — о себе и своей карьере

ЖАРА Magazine
Дневные бабочки появились 100 миллионов лет назад в Северной Америке Дневные бабочки появились 100 миллионов лет назад в Северной Америке

История чешуекрылых (Lepidoptera) насчитывает сотни миллионов лет

N+1
Ghibli крепчает: вспоминаем все полнометражные фильмы Хаяо Миядзаки в хронологическом порядке Ghibli крепчает: вспоминаем все полнометражные фильмы Хаяо Миядзаки в хронологическом порядке

Самое время пересмотреть парочку любимых работ мастера

Правила жизни
Кому подойдет диалектическая поведенческая терапия (ДПТ) Кому подойдет диалектическая поведенческая терапия (ДПТ)

ДПТ была разработана в конце 1980-х годов американским психологом Маршей Линехан

Psychologies
Полезное расставание: как превратить неудачу в успех — мнение психолога Полезное расставание: как превратить неудачу в успех — мнение психолога

Даже из расставания можно вынести пользу

Psychologies
Анатомия газлайтинга: как развиваются такие отношения — подробная хронология Анатомия газлайтинга: как развиваются такие отношения — подробная хронология

Как люди попадают в ловушку газлайтеров?

Psychologies
Открыть в приложении