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Elettronica stampata: le applicazioni e l’IoT verso il futuro

Le applicazioni emergenti accelerano l’adozione dell’elettronica stampata. L’analisi di Matt Dyson, senior analyst di IdTechEx.

Secondo Matt Dyson, senior analyst di IdTechEx, l’elettronica stampata è stata proposta come la tecnologia che renderà l’elettronica onnipresente. Le applicazioni includono sensori wireless negli imballaggi, cerotti sulla pelle che comunicano con Internet, edifici che rilevano le perdite per consentire la manutenzione preventiva.

Tuttavia, fino a poco tempo fa tali applicazioni sono rimaste in gran parte nelle fasi di prototipazione e sviluppo. Ma il 2021 è stato un anno entusiasmante per l’elettronica stampata, con molteplici applicazioni che hanno raggiunto l’adozione commerciale e fondi significativi che fluiscono nel settore.

Anche dove le tecnologie non sono ancora commercializzate, le aziende stanno sempre più passando dallo sviluppo della loro tecnologia e dalla produzione di prototipi dimostrativi speculativi a progetti di sviluppo e qualificazione per clienti specifici.

Per Dyson commercializzare con successo l’elettronica stampata richiede l’identificazione di applicazioni in cui le sue differenze dall’elettronica convenzionale aggiungono un valore significativo.

I cerotti elettronici per la pelle sono un grande esempio di questo, con dispositivi flessibili a film sottile che migliorano il comfort del paziente e allo stesso tempo permettono il monitoraggio continuo dei parametri biometrici.

Matt Dyson, senior analyst di IdTechEx

L’interesse per i cerotti elettronici per la pelle ha accelerato nel 2021, con portafogli di materiali dedicati sviluppati da grandi attori come Dupont e Henkel, e i cerotti utilizzati negli ospedali.

Questa accelerazione e è parzialmente attribuita al COVID-19, poiché sia i pazienti che gli operatori sanitari sono ora molto più a loro agio con le consultazioni a distanza che richiedono il monitoraggio a domicilio.

Inoltre, molti sistemi sanitari stanno lottando con un arretrato di pazienti dopo l’annullamento di operazioni/esami, creando un’ulteriore spinta ad adottare nuove tecnologie che possano migliorare l’efficienza, per esempio facilitando la dimissione anticipata dall’ospedale.

Elettronica stampata e transizione verso i veicoli elettrici

Mentre le transizioni verso l’elettrificazione e la guida autonoma dell’automobile attirano molta attenzione, sono accompagnate dall’adozione di altre tecnologie che in qualche misura cadono sotto il radar. La crescente adozione dell’elettronica stampata è uno di questi esempi, con applicazioni sia all’interno che all’esterno.

Gli interni delle automobili sono obiettivi particolarmente promettenti per l’innovazione che aggiunge valore all’esperienza dell’occupante dal momento che è più difficile per i produttori differenziare i veicoli elettrici sulla base del gruppo propulsore.

Ci sono ampie opportunità per l’elettronica stampata per aggiungere funzionalità all’abitacolo, facilitando al contempo una produzione efficiente. Gli esempi includono l’aggiunta di display più numerosi e più performanti e di superfici di controllo capacitive. Infatti, i sensori tattili capacitivi retroilluminati che comprendono film di rete metallica stampati trasparenti intarsiati e parti termoformate, sviluppati da PolyIC, sono stati commercializzati neimodelli Volkswagen lanciati nel 2021.

C’è anche un crescente interesse nei riscaldatori per applicazioni automobilistiche, dato che i veicoli elettrici generano molto meno calore residuo. Mentre l’elettronica stampata è già utilizzata per alcuni riscaldatori per sedili, l’implementazione di riscaldatori fatti da inchiostri conduttivi resistivi o a coefficiente di temperatura positivo nelle superfici migliorerebbe l’efficienza di riscaldamento e quindi estenderebbe leggermente l’autonomia dei veicoli elettrici. Anche i riscaldatori trasparenti, che possono essere fatti da reti metalliche, nanotubi di carbonio (CNTS) o nanofili d’argento, sono in fase di sviluppo e sperimentazione, con applicazioni iniziali che riguardano i fari e le coperture deisensori.

Imballaggio intelligente

Per Dyson l’imballaggio intelligente ha ricevuto una spinta significativa verso l’adozione diffusa nel 2021, con due attori emergenti che hanno raccolto 10 milioni di dollari di finanziamenti per scalare la produzione ed estendere le loro capacità tecniche.

Definito come l’integrazione di funzionalità elettroniche come antenne e sensori nel packaging per tracciare il suo progresso e le sue condizioni attraverso la catena di fornitura e in casa, il packaging intelligente è stato a lungo propagandato come una promettente applicazione per l’elettronica stampata/flessibile. Questo perché, a differenza dell’elettronica rigida convenzionale, l’elettronica stampata/flessibile è teoricamente compatibile con una produzione roll-to-roll (R2R) ad alta produttività per consentire i costi di produzione molto bassi richiesti.

Tuttavia, nonostante l’adozione diffusa dei tag RFID, l’imballaggio intelligente con rilevamento integrato è rimasto finora limitato ad applicazioni di nicchia. Questo è dovuto principalmente al fatto che gli obiettivi di costo per la maggior parte delle applicazioni di smart packaging sono estremamente impegnativi, soprattutto perché è necessario incorporare una fonte di alimentazione o una capacità di raccolta dell’energia. Inoltre, l’imballaggio intelligente generalmente aggiunge valore solo quando facilita una soluzione integrata insieme al software. Questo di solito richiede di entrare in un mercato in scala e di essere adottato simultaneamente da più attori nella catena di fornitura.

Nel tentativo di ridurre il costo dell’hardware del packaging intelligente, aprendo così la tecnologia ad applicazioni di volume più elevato, si stanno sviluppando tecnologie hardware innovative. PragmatIC, una società con sede nel Regno Unito che produce circuiti integrati in ossido di metallo nativamente flessibili, ha raccolto 80 milioni di dollari in finanziamenti di serie C nell’ottobre 2021. La proposta di valore chiave dei CI di Pragmatic è il loro basso costo, potenzialmente meno di 1 centesimo di dollaro ciascuno. Mentre l’RFID è l’applicazione iniziale, si stanno sviluppando anche circuiti integrati leggermente più complessi per applicazioni di rilevamento.

Un’altra innovazione promettente per l’imballaggio intelligente sono i sensori che raccolgono energia dalla radiazione elettromagnetica ambientale. Sviluppati dalla statunitense Wiliot, che ha raccolto 200 milioni di dollari in un round di finanziamento Series C, questi sensori wireless senza batteria comunicano via Bluetooth.

Il rilevamento basato sugli eventi viene utilizzato per comunicare solo quando la posizione del sensore cambia, e quindi ridurre il consumo di energia. Gli ICs sia di PragmatIC che di Wiliot saranno montati su substrati flessibili, con antenne spesso prodotte da inchiostri conduttivi – questa metodologia di produzione emergente che combina stampa e componenti di montaggio è definita Flexible Hybrid Electronics.

Edifici intelligenti e IoT

I dispositivi IoT, definiti come una rete di sensori connessi senza fili per applicazioni domestiche e industriali, offrono vantaggi come la manutenzione predittiva e il monitoraggio delle condizioni. Rappresentano una grande opportunità per l’elettronica stampata/flessibile poiché devono essere accessibili e avere un fattore di forma compatto per adattarsi a edifici, attrezzature industriali, e così via.

Nonostante la chiara proposta di valore, l’alimentazione dei dispositivi IoT rimane una sfida poiché la sostituzione delle batterie è dispendiosa e costosa quando si include il tempo di manutenzione. Un candidato emergente per risolvere questo problema è il fotovoltaico organico (OPV).

Mentre l’adozione su larga scala del fotovoltaico organico si è precedentemente dimostrata impegnativa, la tecnologia di raccolta dell’energia è estremamente adatta alla raccolta dell’energia in interni, poiché è più efficiente del fotovoltaico al silicio sotto la radiazione diffusa a bassa intensità. I film sono anche economici da produrre attraverso la lavorazione in soluzione, mentre il loro fattore di forma flessibile e sottile migliora la durata e le possibilità di integrazione.

Le celle OPV da interno per dispositivi IoT a bassa potenza sono state sviluppate da aziende come Epishine, Dracula Technologies e Ribes Tech. Questa tecnologia ha guadagnato trazione nel 2021, con le celle OPV di Epishine installatein prodotti di gestione delle strutture disponibili in commercio.

Altre applicazioni dell’elettronica stampata/flessibile per l’elettronica stampata negli edifici intelligenti traggono vantaggio dalla capacità di produrre dispositivi relativamente semplici di grande superficie a un prezzo accessibile. Le applicazioni includono il riscaldamento e il rilevamento delle perdite, sia integrato nei materiali da costruzione che montato a posteriori. Nel 2021, l’azienda britannica Bare Conductive ha lanciato Laiier, mirando a queste applicazioni – il rilevamento delle perdite a basso costo si sta dimostrando particolarmente interessante per il settore assicurativo, con più progetti in sviluppo.

Elettronica stampata verso il 2022

Secondo Matt Dyson e IdTechEx questa commercializzazione dell’elettronica stampata dovrebbe continuare nel 2022 attraverso tutte le tecnologie e le applicazioni descritte sopra, con sensori tattili capacitivi fatti da reti metalliche stampate, celle OPV per la raccolta di energia interna e cerotti elettronici sempre più flessibili sulla pelle che stanno guadagnando trazione.

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