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VISTO, SI STAMPI IL CIRCUITO

ELETTRONICO!Visita ai laboratori dove sta nascendo la printed organic electronics.

Circuiti elettronici stampati sulla carta o sulla plastica a basso costo impiegando comuni macchine delle arti grafiche. È lo studio sull’elettronica organica stampata portato avanti dai ricercatori del Center for Nano Science and Technology dell’Istituto Italiano di Tecnologia a Milano.

Immaginate una comune macchina da stampa impiegata nelle arti grafi che, una stampante digitale a getto d’inchiostro o una rotativa fl essografi ca. Immaginate che stia stampando etichette che contengano, invece delle solite immagini, videoclip o animazioni. O che stia stampando volantini pubblicitari nei quali, invece delle solite fotografi e statiche, ci sia uno «slide show» con le immagini di tutti i dettagli del prodotto che volete comperare. Oppure, più «semplicemente», che la macchina da stampa stia stampando direttamente su carta o plastica le smart label, etichette intelligenti che nelle versioni attuali sono costituite da un microscopico chip al silicio (come i tag Rfi d). Uno scenario che appartiene a un futuro che potrebbe essere prossimo anche grazie agli studi svolti presso il Center for Nano

Science and Technology di Milano http://cnst.iit.it, nato nel 200 e appartenente alla rete dell’Istituto Italiano di Tecnologia. In particolare, il gruppo ricerca di Mario Caironi sulla Printed and Molecular Electronics, che comprende vari ricercatori e studenti di dottorato, tra cui Giorgio Dell’Erba e Andrea Perinot, è riuscito a mettere a punto un procedimento che permette di stampare circuiti elettronici organici su supporti che spaziano dal PET alla carta, dal vetro a, potenzialmente, un guscio d’uovo. E, per alimentare questi circuiti elettronici, all’interno dello stesso gruppo

Moreno Soppelsa

Mario Caironi. Nato a Bergamo nel , ha ottenuto la laurea e PhD in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Milano, è stato per tre anni Post-Doctoral Researcher presso i Cavendish Laboratories di Cambridge. Nel è diventato team leader del gruppo «Printed and Molecular Electronics»

presso il CNST dell’IIT dove, nel maggio è diventato tenure-track researcher. (La tenure track è una tipologia di contratto che indica un percorso - track - fi nalizzato al raggiungimento di una posizione lavorativa a tempo indeterminato - tenure -. La fi nalità della tenure track è quella di off rire a

ricercatori e ricercatrici eccellenti la possibilità di intraprendere una strada professionale trasparente, formalizzata, strutturata e fi nalizzata a indirizzare il/la tenure-track researcher al consolidamento di quelle competenze necessarie per divenire un/una tenured researcher, ossia

un/una ricercatore/trice stabile). Ha all’attivo più di cinquanta pubblicazioni su riviste scientifi che internazionali di rango, due capitoli di libro, due brevetti e ha curato per Wiley un libro su «Flexible and Large Area Electronics», con pubblicazione prevista per la fi ne del .

Marco Carvelli. Nato a Rho (MI) nel , ha studiato ingegneria fi sica al Politecnico di Milano con specializzazione in nano-ottica e fotonica. Nel gennaio si è trasferito a Eindhoven, dove ha iniziato la sua ricerca di dottorato nel gruppo materiali molecolari e nanosistemi guidato dal professor

I PROTAGONISTI

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il ricercatore Marco Carvelli sta lavorando sulle celle solari organiche stampabili.

Vantaggi e svantaggi dell’elettronica stampataL’elettronica organica, che può essere defi nita come l’elettronica del carbonio anziché del silicio, non è in eff etti una novità dell’ultima ora visto che le prime ricerche su materiali organici cristallini come alternativa al silicio risalgono agli anni ‘50, ma soltanto negli ultimi tempi la ricerca ha avuto un grosso impulso. «L’elettronica stampata – aff erma Giorgio Dell’Erba – prevede l’utilizzo di materiali polimerici e non, processabili da soluzione (cioè solubili e depositabili in forma liquida). Questo permette l’utilizzo di tutte quelle tecniche di produzione a bassissimo costo utilizzate per le arti grafi che». Ma in quale modo il mondo dell’industria può trarre vantaggi dall’elettronica stampata? «Uno dei principali motivi – aggiunge Andrea Perinot – è l’estrema riduzione dei costi di produzione rispetto alle attuali tecnologie utilizzate per l’elettronica, che richiedono processi ad alta temperatura (fi no a .00 °C) e altissime o bassissime pressioni. L’elettronica stampata evita questo tipo di processi, con temperature minori di 50 °C. Inoltre, essendo basata sul carbonio, non necessita di particolari procedure di smaltimento quando diventa un rifi uto, con la possibilità di essere riciclata come plastica. I processi a bassa temperatura permettono un enorme riduzione dell’energia utilizzata per la produzione dei dispositivi».

Se questi sono i grossi vantaggi, i punti deboli attuali sono altrettanto importanti. «Allo stato dell’arte – spiega Dell’Erba – non è possibile ancora ottenere performance che siano comparabili con quelle della tecnologia a silicio monocristallino utilizzata per la produzione di circuiti integrati e microprocessori. La principale limitazione è nella frequenza di lavoro dei singoli transistor, con valori record intorno ai 0 MHz ma che si attesta generalmente su valori molto inferiori (0-00 kHz), che ha una diretta ripercussione sulla massima frequenza operativa dei circuiti». Per fortuna nelle principali applicazioni dell’elettronica stampata non sono necessarie frequenze di lavoro elevate, anche se i ricercatori prevedono che con uno sviluppo mirato delle architetture dei transistor la frequenza di lavoro possa essere sensibilmente migliorata. «La soluzione temporanea a questa limitazione – sostiene Dell’Erba – potrebbe essere una tecnologia ibrida con l’utilizzo di dispositivi all-printed per gli impieghi che non richiedono elevate frequenze di lavoro e di classici circuiti integrati al silicio per quelli che invece lo richiedono».

Reinder Coehoorn. Nel febbraio ha conseguito il titolo di dottorato di ricerca presso l’Università della Tecnologia di Eindhoven. È Postdoctoral research associate al CNST. Il focus della sua ricerca è lo sviluppo e l’ottimizzazione di celle solari organiche stampabili.

Giorgio Dell’Erba. Nato a Bari nel , laureato in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Milano. Attualmente è PhD Student presso il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano con una borsa di studio dell’IIT presso il CNST

di Milano. Lavora sullo sviluppo di circuiti elettronici organici integrati.

Andrea Perinot. Nato a Vittorio Veneto (TV) nel , è laureato in Ingegneria Elettronica presso il Politecnico di Milano. È PhD Student presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, con borsa dell’IIT. Lavora presso il CNST di Milano sulla fabbricazione di transistor organici a

eff etto campo ad alta velocità con l’ausilio di tecniche di direct-writing.

Giorgio Dell’Erba mostra un circuito organico trasparente al 90%. L’unica cosa che si vede è il substrato.

Marco Carvelli mostra le celle solari organiche stampate con una stampante fl essografi ca rotativa Omet Flexy.

Il ricercatore Andrea Perinot mentre misura i suoi dispositivi con una probe-station.

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Le applicazioni chiaveVi sono parecchie possibilità di impiego per l’elettronica organica. Come per esempio i display fl essibili, anche se al momento le rese di processo non sono tali da permettere di produrre dispositivi su scala industriale. Nell’ambito delle etichette intelligenti sarà invece possibile stampare dispositivi su larga scala a un bassissimo costo. L’utilizzo di una tecnologia ibrida, in parte organica e in parte inorganica, permetterebbe di ottenere ottime performance senza rinunciare ai vantaggi di un’elettronica fl essibile, trasparente e a basso costo. Nel campo della moda, la fl essibilità e la trasparenza dell’elettronica stampata potrà invece consentire agli stilisti di pensare a nuove tipologie di tecnologia indossabile. Queste stesse caratteristiche rendono questa tecnologia molto interessante nell’ambito delle arti grafi che. «Un possibile utilizzo – aff erma Dell’Erba – potrebbe essere quello di stampa di fl yer pubblicitari fl essibili, attivi, accattivanti e riciclabili che, successivamente a una appropriata ingegnerizzazione, potrebbero andare a competere (sia dal punto di vista del costo sia della quantità di contenuti proposta) con i classici fl yer cartacei».

La tecnologia sviluppata all’IITMa vediamo ora qual è esattamente e cosa è stato fatto fi no a oggi all’interno dei laboratori milanesi dell’Istituto Italiano di Tecnologia. «La tecnologia che abbiamo sviluppato – aff erma Mario Caironi – ci permette di costruire circuiti logici complessi su substrati di plastica comune, PET o PEN, e di diversi spessori, da 200 μm fi no a μm (00 volte meno dello spessore di un capello). Utilizziamo tecniche di scrittura diretta e di stampa derivate dalle arti grafi che come la stampa a getto di inchiostro, il bar-coating, la stampa fl essografi ca e così via. Con queste tecniche è possibile creare layer dopo layer, in modo additivo, i circuiti. I materiali che utilizziamo sono polimeri

conduttori, semiconduttori e dielettrici che possono essere processati da soluzione, cioè disciolti in un solvente». Dopo la stampa, facendo evaporare il solvente, è possibile riconvertire i materiali depositati allo stato solido. I circuiti così ottenuti mostrano una trasparenza superiore al 0%. Per quanto riguarda i limiti di questa tecnologia, di cui abbiamo scritto precedentemente, Perinot così commenta: «In termini di performance allo stato dell’arte si è ancora lontani da quelle del silicio monocristallino con cui si producono microprocessori e circuiti integrati, ma siamo allo stesso livello (e in alcuni casi superiore) del silicio amorfo con cui viene prodotta l’elettronica per l’indirizzamento attivo di matrici e display.

I principali fattori limitanti sono la frequenza e le tensioni di lavoro dei transistor, che si ripercuotono sui circuiti. Per cercare di oltrepassare la prima diffi coltà tecnologica, facciamo ricerca utilizzando anche altre tecniche di scrittura diretta come la femtosecond laser ablation e il femtosecond laser sintering, cercando di integrarle con quelle già citate. Per quanto riguarda la seconda limitazione, ci concentriamo sulla combinazione di diversi materiali per riuscire a far funzionare i circuiti in maniera affi dabile a basse tensioni».

Il fotovoltaico con la fl essografi aI ricercatori prevedono che una delle future applicazioni in cui questa tecnologia sarà presente sarà il fotovoltaico organico. Un esempio potrebbe essere rappresentato da un foglio di giornale o da un volantino della grande distribuzione che integra una cella solare in grado di

alimentare le sue componenti interattive. Nell’ambito del laboratorio di ricerca milanese è attivo il progetto Solar Print, cofi nanziato da IIT che fornisce il know-how scientifi co sulla tecnologia organica fotovoltaica e da Omet, azienda di Lecco specializzata nella produzione di macchine per la stampa di etichette e imballaggi fl essibili, che fornisce il know-how ingegneristico

L’utilizzo di una tecnologia ibrida, in parte organica e in parte inorganica, permetterebbe di ottenere ottime performance senza rinunciare ai vantaggi di un’elettronica fl essibile, trasparente e a basso costo.

Una delle macchine usate nel laboratorio di ricerca per la stampa di circuiti organici: una Fujifi lm Dimatix

DMP2800 a getto d’inchiostro.

Per la stampa di circuiti organici viene usata anche questa JetLab 4 di MicroFab Technologies, stampante a getto

di inchiostro con precisione micrometrica.

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relativamente alle macchine da stampa e ha installato presso il laboratorio di IIT una macchina flessografica Omet Flexy. «Negli ultimi due anni e mezzo – afferma Marco Carvelli, ricercatore post-dottorato di IIT – ci siamo concentrati sulla produzione di celle fotovoltaiche organiche tramite un processo di stampa rotativa flessografica. Abbiamo prodotto i primi prototipi di celle stampate su polimeri usando inchiostri “funzionalizzati”, che hanno l’obiettivo di convertire la luce in cariche elettriche, quindi in corrente. L’ingegnerizzazione di questo processo è complessa perché la cella ha uno spessore inferiore al milionesimo di metro e occorre lavorare con una precisione alla quale le arti grafiche non sono abituate». Uno degli obiettivi a lungo termine di questa ricerca è rappresentato, per fare un esempio, dalla realizzazione di pannelli fotovoltaici organici tanto leggeri e flessibili da poterli avvolgere attorno a un edificio. «Si tratta però di un obiettivo a lungo termine – prosegue Carvelli – perché le celle devono avere una durata temporale di 25-30 anni, mentre allo stato

attuale della ricerca è difficile arrivare a un tempo di vita superiore ai cinque anni. I materiali organici sono estremamente sensibili all’azione dell’ossigeno e del vapore acqueo. Quindi bisogna mettere a punto tecniche di laminazione e incapsulazione in grado di aumentarne la durata e questo esclude applicazioni in questo campo per i prossimi due o tre anni. Un’alternativa interessante, praticabile sin da ora, è rappresentata dalla cosiddetta “Internet delle cose”. La casa domotica è una realtà, ma tutti i sensori impiegati hanno bisogno di batterie che nel tempo devono essere cambiate, con un costo elevato. La nostra idea è quella di convertire la nostra tecnologia di celle solari organiche in modo che possano assorbire la luce artificiale, cosa che possono fare meglio del tradizionale silicio».

Prossimo futuroI giochi sono aperti. La ricerca è avviata. Le connessioni con il mondo delle arti grafiche si stanno aprendo. Il terreno, insomma, è ben concimato e appare fertile. Non è davvero impossibile immaginare che tra qualche anno dalle macchine da stampa delle arti grafiche escano prodotti che, nelle mani dei consumatori, si trasformino in volantini con immagini animate e video, etichette veramente parlanti e celle solari in grado di alimentare quello che la fantasia suggerirà. ❚

La tecnologia sviluppata dai ricercatori di IIT permette di stampare circuiti logici complessi su substrati di plastica comune, come quelli che si vedono in foto, usando tecniche di scrittura derivanti dalle arti grafiche, come stampa a getto d’inchiostro o flessografica.

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