Autetaan ohutkalvotransistoriteollisuutta kehittymään hyödyntämällä ‘foundries’

Ohutkalvotransistorien (TFT) alalla on ongelma: siltä puuttuu muilta puolijohdemarkkinoilta tuttu yhtenäinen valmistusinfrastruktuuri ja liiketoimintamalli. KU Leuvenin tutkijat ovat kehittäneet uuden tyyppisen TFT-piirien valmistusmallin, jossa voidaan hyödyntää riippumattomia sopimusvalmistajia eli foundry-yrityksiä. Tässä kerromme, miksi kehitys on merkittävää.

Mitä ohutkalvotransistorit ovat?

Ohutkalvotransistorit ovat puolijohdeteknologiaa. Puolijohteiden sähkönjohtavuus on eristeiden ja johteiden välissä, ja niiden johtavuutta voidaan säädellä. Siksi ne sopivat mikroelektroniikan kytkimiksi. Sinullakin on todennäköisesti käytössä TFT-teknologiaa hyödyntäviä laitteita.

Lähde – Amazon 6502 -mikroprosessori

TFT-teknologiaa käytetään yleisimmin näytöissä pikselien ohjaamiseen. TFT-näyttöjä on älypuhelimissa ja muissa pienissä laitteissa. Transistorit ovat tavallisia aktiivimatriisinestekidenäytöissä, kuten järjestelmäkameroissa, LCD-projektoreissa ja päähän puettavissa näytöissä. Kaksi keskeistä TFT-materiaalia ovat seuraavat:

Amorfinen pii

Amorfinen pii on yleinen TFT-valmistuksen materiaali. Sitä voidaan tuottaa suuria määriä edullisesti moniin käyttökohteisiin. Sen suorituskyky jää joitakin vaihtoehtoja heikommaksi, mutta ohutkalvoja voidaan muodostaa erilaisille alustoille, kuten lasille, metallille ja muoville.

Monikiteinen pii

Monikiteinen pii tarjoaa amorfista piitä paremman suorituskyvyn, mutta sen valmistus on vaikeampaa ja kalliimpaa. Valmistuksessa käytetään lämpöä ja materiaalin käsittelyvaiheita, jotka edellyttävät erityislaitteita ja osaavaa henkilöstöä.

Perinteisten ohutkalvotransistorien rajoitukset

Perinteisiin TFT-ratkaisuihin liittyy rajoituksia. Kaikki toteutukset eivät ole taipuisia, eikä niiden valmistuksessa ole yhtä laajasti saatavilla samanlaista sopimusvalmistuksen infrastruktuuria ja tukea kuin muilla puolijohdealoilla, joilla suuret foundry-tehtaat tuottavat piirejä massatuotantona.

Kysyntään vastaaminen

Puolijohteiden sopimusvalmistajat tuottavat yleensä sekä asiakaskohtaisia että yleiskäyttöisiä piirejä kiekoille. Kiekko on ohut puolijohdemateriaalin levy, jolle voidaan valmistaa esimerkiksi mikropiirejä ja aurinkokennoja. TFT-alalla vastaavan, ulkopuolisille suunnittelijoille avoimen valmistusmallin rajallinen saatavuus on hidastanut innovaatioita ja käyttöönottoa.

Tärkeä liiketoimintamalli

Suurten puolijohdetehtaiden hyödyntämiselle on useita perusteita. Piirien kysyntä on valtavaa ja kasvaa elektroniikan yleistyessä. Ohutkalvoelektroniikan innovaatiot voivat nopeutua, kun insinöörit voivat keskittyä uusiin toimintoihin ja hyödyntää valmiita valmistusprosesseja.

Uusi lähestymistapa

Tutkijat Hikmet Çeliker, Wim Dehaene ja Kris Myny tunnistivat sopimusvalmistuksen ja yhteisten standardien puutteet ohutkalvoelektroniikan kasvun keskeisiksi rajoitteiksi. He pyrkivät ratkaisemaan ongelman ja edistämään pienempää ja taipuisaa elektroniikkaa.

Kehittynyt TFT-teknologia

Tutkijoiden lähestymistapa yhdistää valmistuspalvelujen hyödyntämisen, innovaatiot ja taipuisien TFT-piirien yhteiset suunnittelukäytännöt. Ryhmä demonstroi mallia käytännössä ja haluaa hyödyntää kokemuksia ohutkalvoelektroniikan kehittämiseen.

Erittäin ohuet transistoripiirit

Tutkijat toteuttivat kaksi ohutkalvoteknologiaan perustuvaa versiota käyttäen erilaisia materiaaleja ja valmistusalustoja. He valmistivat taipuisat versiot tunnetusta MOS 6502 -mikroprosessorista. Tämän prosessoriperheen ratkaisuja käytettiin Nintendon laitteissa, varhaisissa Apple-tietokoneissa (AAPL ) ja Commodoren koneissa. Laskentateho ei vastaa nykyisiä huippupiirejä, mutta taipuisa toteutus on merkittävä saavutus.

Lähde – Techxplore – ohutkalvotransistorit

Tutkijoiden ilmoittama paksuus on alle 30 mikrometriä, eli ihmisen hiusta ohuempi. Näin ohut elektroniikka voisi avata uusia mahdollisuuksia monille toimialoille, etenkin jos valmistuksesta tulee edullista ja helposti skaalautuvaa.

Kaksi materiaalijärjestelmää

Tutkimuksessa käytettiin amorfista indium-gallium-sinkkioksidia ja matalan lämpötilan monikiteistä piitä. Molemmat soveltuvat taipuisille alustoille. Piirit tutkittiin 48-nastaisella mittauskortilla, jonka avulla voitiin syöttää signaaleja, säätää toimintaa ja varmistaa piirin toimivuus.

Moniprojektivalmistus uudistaa alan mallia

Moniprojektimallissa samalle valmistuskiekolle tai -levylle sijoitetaan useita erillisiä piirisuunnitelmia. Suunnittelijat voivat näin jakaa valmistuskustannuksia sen sijaan, että jokainen tilaisi oman täyden valmistuserän. Malli lisää joustavuutta ja tukee asiakaskohtaisten piirien valmistusta samalla alustalla. Se voi myös vähentää hukkaa ja parantaa tehokkuutta.

Energiankulutus

Hiuksenohuiden TFT-piirien toinen mahdollinen etu on vähäinen energiantarve. Laitteiden suunnittelussa voidaan painottaa energiatehokkuutta. Tulevaisuudessa osa tällaisista laitteista voisi saada energiansa ympäristöstä kerättävästä energiasta tai langattomasta latauksesta.

Ohutkalvotransistorien käytännön sovellukset

TFT-transistoreilla on monia käytännön sovelluksia. Niitä löytyy jo älylaitteista, kannettavista tietokoneista ja näytöistä. Pikselien ohjaamisen lisäksi niillä on muitakin mahdollisuuksia. Seuraavat käyttökohteet voivat vahvistaa teknologian asemaa tulevaisuudessa.

Terveydenhuolto

Terveydenhuolto voisi hyötyä TFT-laitteista merkittävästi. Puettavan elektroniikan käyttö kasvaa arjessa, suorituskyvyn seurannassa ja lääketieteessä. Tällä teknologialla laitteista voisi tehdä huomattavasti pienempiä.

Kuvittele iholle kiinnitettävä tarra, joka välittää tärkeitä sydäntietoja terveydenhuollon ammattilaisille seurantaa ja tutkimusta varten. Erittäin ohut puettava elektroniikka voisi mahdollistaa myös infektioita seuraavat sidokset ja muita ratkaisuja, jotka aiemmin kuuluivat lähinnä tieteiselokuviin.

Robotiikka

Robotiikassa teknologiaa voitaisiin hyödyntää monin tavoin. Ohuemmat ja kevyemmät piirit auttavat pienentämään keskeisiä komponentteja. Kevyempi robotti voi toimia pidempään, koska sen akun kuormitus vähenee.

TFT-teknologia voisi myös tehdä robottien käyttöliittymistä intuitiivisempia. Tekoälyyn yhdistettynä se voisi esimerkiksi mahdollistaa robottityötovereiden kasvonilmeet. Robotiikka-ala on jo pitkään tavoitellut energiatehokkaampia piiriratkaisuja.

Tulevaisuuden näytöt

Monet tulevaisuuden näytöt voisivat hyödyntää teknologiaa. Virtuaali- ja lisätyn todellisuuden laitteet ovat hyvä esimerkki: niiden pienet näytöt hyötyisivät kevyistä TFT-piireistä. Pienempi paino parantaisi ergonomiaa ja helpottaisi pitkäaikaista käyttöä.

Taipuisat näytöt

TFT on keskeinen teknologia taipuisien näyttöjen kehittämisessä. Taipuisille alustoille valmistetut ohuet piirit sopivat tähän käyttöön. Rullattavat näytöt voisivat säästää tilaa ja tuoda tiedot nopeasti käyttäjän ulottuville.

Esineiden internet (IoT)

Esineiden internet muodostuu miljardeista älylaitteista. Ne käyttävät antureita ja välittävät tietoa verkon kautta. Osa laitteista sekä vastaanottaa että lähettää tietoja. Pienet laskentapiirit ja anturit mahdollistavat tiedon keräämisen ja viestinnän.

IoT-sektorin miniatyrisointi voisi edistyä tämän uusimman kehityksen ansiosta. Kuvittele pieniä antureita valvomassa logistiikkaa ja toimitusketjua. Markkinoilla on myös jo paljon hajautettuja vaihtoehtoja. Tämä lisäjoustavuus tarkoittaa, että IoT-markkinoiden pitäisi olla TFT-insinöörien ensimmäinen kohde.

IoT-laitteilla on tärkeä rooli teollisuudessa. Niillä seurataan valmistusprosesseja, todennetaan tuotteita ja jaetaan logistiikkatietoja. Anturit voivat seurata kohteen lämpötilaa, sijaintia ja aitoutta reaaliajassa. Siksi IoT-teknologia sopii hyvin näihin tehtäviin.

Yrityksiä, jotka voisivat hyötyä teknologiasta

Useat yritykset voisivat hyödyntää teknologiaa ja parantaa tehokkuuttaan sekä liikevaihtoaan. TFT-valmistus kasvaa ja kilpailu kiristyy. Seuraavat yritykset ovat alan kannalta merkittäviä.

1. Applied Materials 

AMAT Hintakaavio

Yhdysvaltalainen Applied Materials (AMAT ) toimittaa valmistuslaitteita, palveluja ja ohjelmistoja puolijohdeteollisuudelle. Yritys perustettiin vuonna 1967 ja listautui pörssiin vuonna 1972. Se on kasvanut alansa johtaviin yrityksiin. FORTUNE-lehti nimesi sen vuonna 2018 maailman arvostetuimpien yritysten joukkoon.

Applied Materials on puolijohteiden ja näyttöjen valmistuslaitteiden, palvelujen ja ohjelmistojen toimittaja. Sen asiakkaat käyttävät näitä ratkaisuja mikropiirien valmistamiseen. Yrityksen kolme keskeistä liiketoiminta-aluetta ovat puolijohdejärjestelmät, Applied Global Services -palvelut ja näyttöteknologia.

Artikkelissa AMAT-osaketta pidetään kiinnostavana sijoituskohteena. Kirjoitushetken markkina-arvoksi ilmoitetaan 170,55 miljardia dollaria ja yritysarvoksi 168,62 miljardia dollaria. Osake on noussut edellisen vuoden aikana ja ylittänyt markkinoiden tuoton: viimeisten 52 viikon nousuksi ilmoitetaan 81,73 %.

2. Intel Corporation

INTC Hintakaavio

Intel (INTC ) on toinen tunnettu siruvalmistaja, joka kehittää innovaatioita ja valmistusprosesseja. Yritys perustettiin vuonna 1968, ja sen pääkonttori sijaitsee Kaliforniassa. Intelin piirit ovat laajalti käytössä, ja valmistusmenetelmiä on kehitetty vuosien ajan.

Intel on merkittävä piirivalmistaja, joka tarjoaa myös sopimusvalmistuspalveluja. Asiakkaat voivat hyödyntää sen suunnittelu- ja valmistusratkaisuja tarpeidensa mukaan. Artikkelissa näitä tekijöitä pidetään perusteina INTC-osakkeen säilyttämiselle. Osa analyytikoista odottaa arvon kasvavan hitaasti ja tasaisesti: esitetty ennuste on nousu kuluvan vuoden 35 dollarista 60 dollariin vuoteen 2026 mennessä.

Sirupula

Viimeaikainen sirupula on osaltaan kannustanut TFT-teknologian lisätutkimukseen. Puolijohdepula johtuu useista tekijöistä. Poliittiset jännitteet ovat esimerkiksi saaneet maat vahvistamaan omia valmistusresurssejaan mahdollisten tulevien konfliktien varalta.

Sirupula on vaikuttanut eri alueisiin eri tavoin. Myös EU:ssa rajallinen valmistuskapasiteetti ja riippuvuus ulkomaisista toimituksista ovat lisänneet huolta saatavuudesta. Pula on saanut monet toimialat etsimään korvaavia tuotteita ja varmistamaan vaihtoehtoja siltä varalta, että ongelma jatkuu.

Uudet valmistuslaitokset ja resurssien tehokkaampi käyttö voivat lievittää ongelmaa. Pienten huipputeknologisten laitteiden kysyntä kasvaa kuitenkin jatkuvasti, mikä lisää myös piirien kysyntää. Kehitykseen kannattaa siksi varautua.

Ohutkalvotransistorien tulevaisuus

TFT-piirien tulevaisuudessa automaatio saa yhä suuremman roolin. Tekoäly voi auttaa kehittäjiä luomaan uusia vaihtoehtoja nykyisille ratkaisuille. Seuraavan sukupolven TFT-piireistä odotetaan pienempiä, edullisempia ja helpommin valmistettavia. Nämä ominaisuudet tukevat niiden asemaa teknologia-aloilla.

Ohutkalvotransistorien käyttö kasvaa

Harva analyytikko odottaa TFT-piirien käytön vähenevän lähivuosina. Pienikokoisen elektroniikan kysyntä tukee kasvua ja innovaatioita. Uusi lähestymistapa tarjoaa käytännöllisen keinon vastata käyttöönoton haasteisiin ja voi ohjata alaa paremmin kasvua tukevaan malliin.

Lue lisää tietotekniikan uutisia.