Italia Grafica describes the technology we're working on with this beautiful article by Moreno Soppelsa.

1. 10 dicembre 201428
ricerca
VISTO, SI STAMPI
IL CIRCUITO
ELETTRONICO!
Visita ai laboratori dove sta nascendo la printed organic
electronics.
Circuiti elettronici stampati
sulla carta o sulla plasticaa 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 grafiche,
una stampante digitale a getto
d’inchiostro o una rotativa flessografica.
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 fotografie
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 smartlabel, etichette intelligenti che nelle versioni attuali
sono costituite da un microscopico chip al silicio (come i tag Rfid).
Uno scenario che appartiene a un futuro che potrebbe essere
prossimo anche grazie agli studi svolti presso il CenterforNano
ScienceandTechnology di Milano http://cnst.iit.it, nato nel 200
e appartenente alla rete dell’Istituto Italiano diTecnologia. In
particolare, il gruppo ricerca di MarioCaironi sulla Printedand
MolecularElectronics, che comprende vari ricercatori e studenti di
dottorato, tra cui GiorgioDell’Erba e AndreaPerinot, 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 - finalizzato al
raggiungimento di una
posizione lavorativa a
tempo indeterminato
- tenure -. La finalità
della tenure track
è quella di offrire a
ricercatori e ricercatrici
eccellenti la possibilità
di intraprendere una
strada professionale
trasparente,
formalizzata, strutturata
e finalizzata 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 scientifiche
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 fine del .
Marco Carvelli.
Nato a Rho (MI) nel
, ha studiato
ingegneria fisica 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

2. 10 dicembre 2014 29
il ricercatore MarcoCarvelli sta
lavorando sulle celle solari organiche
stampabili.
Vantaggiesvantaggi
dell’elettronicastampata
L’elettronica organica, che può essere
definita come l’elettronica del carbonio
anziché del silicio, non è in effetti 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 – afferma 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 grafiche».
Mainqualemodoilmondodell’industriapuòtrarrevantaggi
dall’elettronicastampata?
«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 (fino 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 rifiuto, con la possibilità di essere
riciclata come plastica. Iprocessiabassatemperaturapermettonounenorme
riduzionedell’energiautilizzataperlaproduzionedeidispositivi».
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
dellaTecnologia
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
effetto 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
flessografica rotativa Omet Flexy.
 Il ricercatore Andrea Perinot mentre misura i
suoi dispositivi con una probe-station.

 

3. 10 dicembre 201430
ricerca
Leapplicazionichiave
Vi sono parecchie possibilità di impiego per l’elettronica organica. Come per
esempio i display flessibili, 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 flessibile, trasparente e a basso costo.
Nel campo della moda, la flessibilità e la trasparenza dell’elettronica stampata
potrà invece consentire agli stilisti di pensare a nuove tipologie di tecnologia
indossabile. Questestessecaratteristicherendono
questatecnologiamoltointeressantenell’ambito
delleartigrafiche. «Un possibile utilizzo – afferma
Dell’Erba – potrebbe essere quello di stampa di flyer
pubblicitari flessibili, 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 flyer cartacei».
Latecnologiasviluppataall’IIT
Ma vediamo ora qual è esattamente e cosa è stato fatto
fino a oggi all’interno dei laboratori milanesi dell’Istituto
Italiano diTecnologia. «La tecnologia che abbiamo
sviluppato – afferma Mario Caironi – ci permette di
costruire circuiti logici complessi su substrati di plastica
comune, PET o PEN, e di diversi spessori, da 200 μm fino a  μm (00 volte meno
dello spessore di un capello). Utilizziamo tecniche di scrittura diretta e di stampa
derivate dalle arti grafiche come la stampa a getto di inchiostro, il bar-coating,
la stampa flessografica 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 difficoltà tecnologica,
facciamo ricerca utilizzando anche altre tecniche di scrittura
diretta come la femtosecondlaserablation e il femtosecond
lasersintering, 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 affidabile a basse tensioni».
Ilfotovoltaicoconlaflessografia
I ricercatori prevedono che una delle future applicazioni
in cui questa tecnologia sarà presente sarà il fotovoltaico
organico. Unesempiopotrebbeessererappresentato
daunfogliodigiornaleodaunvolantinodellagrande
distribuzionecheintegraunacellasolareingradodi
alimentarelesuecomponentiinterattive.Nell’ambito del laboratorio di
ricerca milanese è attivo il progettoSolarPrint, cofinanziato da IIT che fornisce
il know-how scientifico sulla tecnologia organica fotovoltaica e da Omet,
azienda di Lecco specializzata nella produzione di macchine per la stampa
di etichette e imballaggi flessibili, 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 flessibile,
trasparente e a basso
costo.
 Una delle macchine usate nel laboratorio di ricerca
per la stampa di circuiti organici: una Fujifilm 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.

4. ©RIPRODUZIONERISERVATA
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’alternativainteressante,
praticabilesindaora,èrappresentatadallacosiddetta“Internetdelle
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».
Prossimofuturo
I 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.