Paměti z plastiku

Křemíkové integrované obvody jsou stále menší a výkonnější. Jenže ne vždycky chceme, aby elektronické zařízení bylo malé - například obrazovky se hodí spíš větší než menší. Často je spíš než mrňavost a výkon důležitější pořizovací cena - představte si, že by se daly levně vyrábět inteligentní cenovky, jízdenky nebo propagační materiály. Pro tyto aplikace je křemík zatím příliš drahý. Proto se firmy snaží hledat alternativní materiály a technologie, jež by umožnily chrlit součástky, které budou možná velké a pomalejší, ale zato úžasně levné. Jednou z možných cest je elektronika založená na plastech, přesněji elektronika, kde jsou jako aktivní elektrický materiál používány vodivé organické polymery namísto klasického křemíku.

Další velkou výhodou elektroniky na plastu založené jsou odhadované nízké výrobní náklady, a to údajně až 100 krát nižší ve srovnání s výrobou křemíkové elektroniky. Všechny ty drahé a technologicky velmi náročné výrobní procesy jako je leptání, ozařování, napařování nebo naprašování, které musí navíc probíhat v superčistém prostředí a v chráněné atmosféře, by při výrobě plastových součástek mohla nahradit technologie bezdotykového inkoustového tisku. Namísto klasického tiskového inkoustu se budou pochopitelně používat jiné materiály, ale technologie zůstane v principu stejná. Například firma Xerox se chlubí, že je již blízko k vodivému inkoustu, který by umožnil tisk obvodů v normálním nechráněném prostředí.

Nejpoužívanější, nebo rozhodně jedním z nejpoužívanějších základních stavebních bloků v elektronických systémech jsou paměťové členy. Jakmile se proto někde objeví možnost vyrábět je výrazně levněji než dnes, začnou se o dané téma zajímat všichni výrobci elektronických součástek. Levné plastové paměti by teoreticky mohly najít uplatnění jako média pro archivaci dat, jako média umožňující dlouhodobé uchování dat s možností jejich přepisu, nebo jako rychlé vyrovnávací paměti.

Paměti určené pro archivaci dat

Možnosti těchto pamětí jsou srovnatelné s klasickými nepřepisovatelnými CD nebo DVD - informace se zapíše a potom ji lze mnohokrát znovu přečíst. Vzhledem k očekávaným nízkým nákladům na výrobu polymerových pamětí by prý nemělo vadit, že jde do paměti zapsat jen jednou - pro nový zápis se prostě vezme nová.

Těmto médiím se věnuje výzkumný tým sestavený ze zástupců Princeton University a Hewlett-Packard Laboratories. Zaměřují se na vodivý polymer označovaný jako PEDOT, jenž se v současné době používá jako antistatická a ochranná vrstva na televizních obrazovkách nebo pouzdrech elektronických obvodů. Je-li tento materiál vystaven vyšším proudům, jeho vodivost klesá. Určitá hraniční hodnota proudu z materiálu vytvoří izolant. A máme princip paměti: tam, kde chceme zapsat nulu, přivedeme takové množství proudu, aby vznikl izolant, buňky určené pro jedničku ponecháme nezměněné. Při čtení znamená vodivá buňka jedničku, nevodivá nulu. V čem je to výhodnější než CD nebo DVD? Základní rozměr jedné paměťové buňky se pohybuje mezi 100 a 200 nm, což je pouze jedna pětina plochy nutné k uložení jednoho bitu na CD. Bude-li další výzkum úspěšný, mohl by materiál být základem pamětí tenkých jako papír, které by vstřebaly miliony bitů na jeden čtvereční centimetr. Počítá se i s tím, že by se jednotlivé vrstvy skládaly na sebe, což by dále umožnilo zvýšit hustotu zápisu. V praxi to znamená, že by tyto paměti mohly být výrazně menší než klasická CD či DVD. Další výhodou je, že na rozdíl od CD či DVD není pro zápis ani pro čtení nutná žádná pohyblivá jednotka. Taková paměť se proto dá vyčíst velmi rychle, rychleji než CD či DVD.

Výzkumníci na konci roku 2003 představili první funkční paměťovou buňku. V současné době hledají cesty, jak buňky propojit dohromady do matice, aby se daly používat jako opravdová paměť. Paměti by měly být určeny především k ukládání velkých objemů dat, jako jsou obrázky či filmy. Když všechno půjde dobře a neobjeví se žádné skryté problémy, mohly by se první funkční paměti tohoto typu objevit na trhu během pěti let.

Přepisovatelné paměti

V současné době jsou velmi oblíbené paměti typu flash, tedy malé paměti, do nichž lze rychle a s poměrně nízkou spotřebou zapsat data. Data je možné opakovaně přepisovat a v paměti zůstávají libovolně dlouho i po odpojení napájecího napětí. Výroba klasických pamětí flash je však velmi drahá, a proto je pochopitelné, že se velcí výrobci pamětí zajímají i o plastovou elektroniku.

Jedním z významných investorů v této oblasti byla Intel, která vložila kapitál do uskupení Thin Film Electronics (TFE), jehož majoritním vlastníkem je norská firma Opticon ASA. TFE se zabývá výzkumem v oblasti plastových pamětí. Základní strukturou je tenká vrstva vodivého polymeru, která je uzavřena mezi dvě vrstvy s elektrodovou maticí. Tyto vrstvy slouží k ovládání polymerového paměťového média, ke čtení a zápisu se používají různé polarity napětí. Výroba jedné vrstvy této paměti stojí zhruba stejně jako výroba klasické křemíkové paměti. Jenže polymerová paměť by měla jít skládat do vrstev, a tak by se dalo dosáhnout vyšší hustoty zápisu za ceny výrazně nižší než u křemíkových pamětí. Navíc by celé řešení mělo jít snadno kombinovat s klasickou elektronikou. První funkční paměti se očekávaly v roce 2005 nebo 2006. Už v polovině května 2004 se ale ukázalo, že to asi bude jinak. Firma Opticom ASA varovala své akcionáře, že Intel může od spolupráce ustoupit a zahájila reorganizace v TFE. Letos v únoru bylo oficiálně oznámeno, že Intel minimálně v prvním čtvrletí roku 2005 nebude do výzkumu investovat. Oficiálním důvodem k ukončení spolupráce byl fakt, že řešení od TFE "není slučitelné se stávajícími produkty firmy Intel". To může znamenat prakticky cokoliv, ale spekuluje se, že řešení vyvinuté TFE sice v principu funguje, ale že seje zatím nepodařilo zprovoznit v teplotním rozsahu požadovaném firmou Intel.

Existují však i úspěšnější projekty. Firma Philips ve spolupráci s University of Groeningen koncem února oznámila, že se jim podařilo najít řešení využitelné pro průmyslovou výrobu plastových pamětí. Základní strukturou těchto plastových pamětí je unipolární transistor, jehož hradlová elektroda je vyrobena z polymerového feroelektrického materiálu. Tento materiál může existovat ve dvou stavech, přičemž každý z nich mění prahové napětí celého tranzistoru a tím zásadně mění jeho chování po připojení provozního napětí na jeho elektrody. Stavy materiálu lze měnit aplikací vysokonapěťového impulsu. Připojením definovaného napětí na elektrody a detekcí, zda tranzistorem za této situace prochází elektrický proud, lze zjistit, ve kterém ze stavů tranzistor právě nachází. Paměti by tedy mohly být programovatelné i čtené elektronicky s využitím standardních křemíkových technologií. Celý princip již byl dříve zkoumán, ale zatím nebylo známé řešení, jež by umožnilo levnou průmyslovou výrobu a jež by pracovalo v běžném teplotním rozmezí. Philips však nyní tvrdí, že jeho paměť udrží informace po dlouhou dobu, že se dá rychle programovat a že celý proces nevyžaduje extrémní provozní napětí. Philips také očekává, že by se struktura dala vyrábět již zmíněnou technologií bezdotykového tisku, čímž by se dalo dosáhnout nízkých výrobních nákladů. Uvidíme, zda se za dva roky objeví nové zprávy, nebo zda Philips celý projekt v tichosti ukončí jako Intel.

Co dál?

I kdyby vývoj plastických pamětí nepokračoval tak úspěšně, jak investoři doufají, výzkum v oboru rozhodně neustane. Plastiková elektronika má i jiné výhody - je totiž plastiková. Křemík je poměrně křehký a tvrdý kov, zato směs polymerů lze zpracovat do pružné a ohebné fólie. Výhody displejů, jejichž matrice by byla nanášena na tenký plast, jsou asi zřejmé - plastikové displeje budou mechanicky podstatně odolnější, navíc půjdou všelijak ohýbat, rolovat a skládat. Podobně výhodné by mohly být i plastikové solární panely - budou lehčí, odolnější, ohebnější a díky tomu se s nimi bude lépe manipulovat. Plastikové logické součástky se prý uplatní hlavně ve výrobě inteligentních obalových materiálů nebo pro výrobu již zmíněných inteligentních cenovek. Představte si kelímek s jogurtem, který umí sám kontrolovat, zda už jeho obsah náhodou není prošlý. Ohebná matrice s obvody je vhodná také pro výrobu různých senzorů a měřících prvků - na zkoumané místo by se prostě nalepil kus fólie, který by dokázal zaznamenat požadovaná data a rovnou je připravit pro další zpracování.

Optimistické studie tvrdí, že se během roku 2006 objeví první reálné plastikové displeje, v roce 2007 použitelné paměti a v roce 2008 i první procesory. Neznamená to však žádnou revoluci. Nečekejte, že by plastová elektronika v nejbližších letech výrazně převálcovala klasickou elektroniku. Většina aplikací zatím míří do oborů, v nichž se křemíková elektronika příliš nepoužívala, nebo používat nešla. Nikdo si zatím netroufá předpovídat, zda, kdy a ve kterém oboru se poprvé přímo střetnou plasty s křemíkem. Existují sice studie, které tvrdí, že by plastová elektronika mohla umožnit výrobu procesorů s taktovací frekvencí v řádek THz, ale zatím jsou to jen teorie. Máte-li nějaké akcie výrobců polovodičů, kvůli plastiku je v nejbližších letech rozhodně prodávat nemusíte.

Poslední změna: 3. 3. 2011