Ännu har den tryckta elektroniken inte riktigt tagit steget från forskningslabben till den kommersiella världen, men kanske händer det i år. På flera ställen runt om i världen, bland annat i tyska Dresden, österrikiska Linz och amerikanska Minneapolis byggs det nu produktionsanläggningar - tryckerier - som ska tas i bruk i år.

De första kommersiella tillämpningarna finns inom skärmar, minnen, sensorer och rfid-etiketter. Men de tryckta produkterna kan inte jämföras med sina kiselbaserade konkurrenter. Och tvärt emot vad som påstås så kommer de inte att ersätta dessa.

Området har också kommit så långt att det bildats en branschorganisation kallad OE-A (Organic Electronics Association) med säte i Tyskland. En överväldigande majoritet av de 73 företag och organisationer som är medlemmar kommer just från Tyskland.

Idag kan man trycka de flesta komponenter som behövs för att konstruera ett komplett elektroniksystem, bland annat batterier, skärmar, transistorer, minnen, tryckknappar, mönsterkort och antenner. Det har också tillverkats olika system, blanda annat handtryckte forskningsinstitutet Acreo ett system med ett batteri, ett teckenfönster och tryckknappar redan för två år sedan för att visa på möjligheterna.

När man trycker på knapp nummer ett visar teckenfönster ordet "ONE", när man trycker på två kommer ordet "TWO" upp på teckenfönstret och så vidare.

Långsamma svängningar
De transistorer som går att trycka är dock inte speciellt snabba och dessutom är de mångdubbelt större än sina motsvarigheter i kisel. Omkopplingstiderna ligger på flera sekunder. Därför måste den tryckta elektroniken kompletteras av kiselkretsar för många tillämpningar.

Det som ändå gör den tryckta elektroniken så lockande är möjligheten att producera riktigt billiga system. System som kostar några ören och som i de enklaste formerna bara behöver ett extra trycksteg i en vanlig tryckpress där papperet rullar på med hundra meter per minut eller mer.

Då handlar det inte om några avancerade datorer. En första tillämpning kan vara enkla elektroniska id-funktioner som kan ersätta streckkoden på en förpackning.

I Sverige har Acreo hållit på med tryck elektronik sedan 1998.

- En del försöker ersätta halvledarprocesser med organiskt material i en tryckprocess med bibehållen prestanda. Vår utgångspunkt är den motsatta. Vi vill se vad man kan göra med organiska material i befintliga tryckprocesser, säger Leif Ljungqvist på Acreos filial i Norrköping.

Det ger visserligen lägre prestanda och begränsade egenskaper men öppnar också för nya tillämpningar. Som exempel tar han transistorn. I en kiselprocess byggs fälteffekttransistorn upp av ett antal lager i en tredimensionell struktur. De tunnaste lagren i gaten är idag bara några atomer tjockt, vilket förstås inte går att kopiera på en skrovlig pappersyta.

Istället visar han en komponent som fungerar som en transistor men bara har två förhållandevis tjocka skikt.

- Vi har gjort en ringoscillator som har en periodtid på några sekunder.

Men Leif Ljungqvist talar hellre om de nya möjligheter som den tryckta elektroniken öppnar upp.

- Man kan till exempel göra en transistor som bara fungerar en viss tid.

Det sker genom att till ledningsförmågan i gaten "äts upp". Hur fort det går bestäms av geometrin och funktionen skulle kunna användas på en förpackning för att indikera om sista förbrukningsdag har passerats. Då kan transistorn kombineras med ett teckenfönster som slår om från vitt till svart för att visa status.

En annan möjlighet är att göra transistorn känslig för fukt eller temperatur och få systemet att visa om en viss kritisk nivå passerats.

Livslängden på den tryckta elektroniken är dock betydligt kortare än för konventionell elektronik.

- Målet är att ha ett på-hyllan-liv på ett år och att produkten fungerar i tre månader. Vi har testat att transistorerna klarar tiotusen omkopplingar men en del kunder vill bara en omkoppling, säger Leif Ljungqvist.

På Acreo har man fokuserat på tryckprocesser som går från rulle-till-rulle. Det är samma typ av tryckpressar som används för att trycka förpackningar. Ett alternativ är arktryck där man trycker varje ark för sig. Den tekniken är vanlig vid tryckning av tidskrifter som till exempel Elektroniktidningen.

Tar tid att torka
Vilken metod man än väljer måste den ledande färgen ges tid att torka mellan tryckstegen. I en rulle-till-rulle-process medför det att man få bygga ett torktorn där höjden är tillräcklig för att färgen ska kunna torkas med UV-ljus eller värme innan det är dags för nästa trycksteg. Vid arktryck måste man ha förvaringsställ där arken torkar mellan varje steg.

På papperet, kartongen eller plasten trycker Acreo ett mönster med ett elektrolytlager och ett polymerlager. I skiktet mellan elektrolyten och polymeren uppstår spontant en tunn struktur där elektrontransporten går över i jontransport och tillbaka igen när den når den andra delen av cellen.

Elektrolyten behöver normalt en viss fuktighet för jontransporten varför man brukar kapsla in den för att den inte ska torka ut.

- Vi har löst det på annat sätt och behöver inte kapsla in den, säger Leif Ljungqvist.

Cellen kan bland annat fungera som ett segment eller pixel i en display. Det beror på att när man lägger på en spänning blir den icke ledande sidan icketransparent medan den andra sidan blir transparent.

Cellen är dessutom bistabil vilket innebär att effekten finns kvar även när spänningen tas bort. Än så länge finns cellen bara i svartvitt och tiden för att växla läge handlar om sekunder, snarare än millisekunder så det är knappast något att visa film med.

- Samma komponent kan man använda för att bygga en elektrokemisk transistor.

Komponenten upptar några kvadratmillimeter och har en omslagstid på någon sekund.

Rulle eller ark
Den tryckpress Acreo använder har en noggrannhet på cirka 300 mikrometer. Tjockleken på skikten ligger på några mikrometer men är inte av samma kritiska betydelse som i kiselelektroniken.

Upplösningen i arktryck blir bättre än vid rulle-till-rulle. Samtidigt har den senare potentialen att ge billigare produkter så valet är en fråga om tillämpning och pris.

Det ledande bläck man använder kommer från de stora kemibolagen som Agfa. Ofta måste bläcken anpassas för att gå att trycka vilket normalt görs av företagen och forskningsinstituten själva.

Bland annat kan man behöva tillsätta bindemedel för att få rätt viskositet. Samtidigt ska bläcket vara miljövänligt och tillsatserna får inte förstöra de elektriska egenskaperna hos bläcket.

- Även om det är samma bas har alla sin unika twist, säger Leif Ljungqvist.

En fråga som fortfarande återstår att lösa är hur den tryckta elektroniken ska testas. Eller om man kanske kan skippa funktionstesten som kan vara en betydande del av produktionskostnaden.

- Jag tror att det beror på vilken typ av produkt det är och var den ska användas.

Handlar det om att indikera hållbarhet på en medicinförpackning kan man som kund förhoppningsvis acceptera ett högre pris än om det handlar om en reklamkampanj på ett flingpaket.

Det som går att göra är att ha ett avsyningssystem efter varje trycksteg. Idag finns dock inga tekniker för att göra funktionstester direkt i den löpande banan även om man skulle kunna tänka sig en trumma med testpunkter och som sitter i slutet av tryckpressen.

Men frågan pockar på ett svar. Acreo har flera produkter som är på väg att kommersialiseras. Längst fram i röret ligger en tryckt antenn i aluminium på bärare av plast (se separat ruta). Även en enkel monokrom display är på väg att bli en kommersiell produkt. Dock försenades det arbetet med cirka ett år när man upptäckte att bläcket var giftigt.

Vägg i vägg med Acreo ligger en filial till Linköpings universitet där professor Magnus Berggrens forskargupp sysslar med tryckt elektronik. Han verksamhet har en lite annan inriktning än Acreos även om den i botten nyttjar samma fenomen, nämligen att det i skiktet mellan elektrolyten och polymeren spontant uppstår en tunn struktur där elektrontransporten går över i jontransport och tillbaka igen.

Det här fenomenet använder Magnus Berggren för att koppla ihop levande celler med elektroniken i ett forskningssamarbete med Karolinska Institutet. Fenomenet kan bland annat användas för att styra tillväxten av stamceller.

- Normalt växer njurceller, hjärnceller och alla andra celler lika snabbt, säger Magnus Berggren.

Vid experimenten är man oftast bara intresserad av en typ av celler. Genom att växa stamcellen på ett speciellt substrat med tryckt elektronik på kan man styra vilken typ av celler som växer.

En annan tillämpning är att få loss cellproverna från underlaget.

- Idag skrapar man loss dem med ett rakblad och då förstörs en stor del av provet.

För att lösa problemet har forskarna utvecklat ett substrat som får cellerna att lossna när man lägger på en elektrisk signal.

I botten ligger samma fenomen som får elektrontransporten att övergå i jontransport och tillbaka.

Och när det så småningom är dags att kommersialisera forskningen står Acreo redo att göra jobbet.