Molti credono ancora che l'elettronica flessibile e adattabile (SCE) sia una curiosità accademica senza un mercato specifico. Questa convinzione sembra basarsi sugli occasionali studi di fattibilità pubblicati, che si affidano ai risultati di quei rari dispositivi che effettivamente funzionano. Anche quando le aziende presentano prototipi, è facile liquidarli come semplici operazioni di marketing volte a far apparire i loro inventori come leader della ricerca e sviluppo.
Tuttavia, il settore SCE è molto più complesso di quanto sembri. Noi di IDTechEx (la società di ricerche di mercato a cui ci affidiamo) studiamo questa frontiera tecnologica da diversi anni. In questo articolo, illustreremo come molti degli aspetti più semplici e meno appariscenti dell'SCE siano già stati commercializzati o siano in procinto di esserlo. Discuteremo inoltre due tendenze principali che alimentano l'interesse per l'SCE: (1) i dispositivi indossabili che sono realmente indossabili e (2) i componenti elettronici strutturali. Infine, sosterremo che considerare l'SCE come un'entità unica è del tutto fuorviante. SCE è un termine generico che comprende molte tecnologie e applicazioni diverse. È opportuno considerare SCE come una raccolta di applicazioni e soluzioni di nicchia eterogenee.

La tecnologia indossabile sta diventando davvero indossabile.
L'interesse per la tecnologia indossabile è cresciuto esponenzialmente a partire dalla fine del 2013. Questo è stato accompagnato dall'emergere di diverse nuove categorie di prodotti che hanno contribuito a definire la nuova tecnologia indossabile rispetto alla vecchia tecnologia indossabile (orologi da tasca e da polso, risalenti a secoli fa). Queste nuove categorie includono smartwatch connessi, occhiali intelligenti, occhiali per la realtà virtuale e aumentata e altro ancora.
Ognuna di queste categorie è molto diversa in termini di tecnologia di base, livello di maturità, mercati di riferimento e potenziale di guadagno attuale e futuro. Infatti, in una recente previsione di mercato, il nostro team ha monitorato 42 diverse categorie di dispositivi indossabili, con una crescita complessiva da una base attuale di circa 35 miliardi di dollari a oltre 155 miliardi di dollari entro il 2027.
Spesso c'è poca unificazione tra queste tecnologie disparate. Anzi, c'è la concreta possibilità che i diversi destini di queste categorie rendano irrilevante il termine generico "tecnologia indossabile" in un futuro non troppo lontano.
Nonostante questa divergenza imminente, una tendenza comune a quasi tutti i dispositivi è il cambiamento del fattore di forma. Analizzando il panorama attuale dei prodotti, ci si accorge presto che si tratta semplicemente di vecchi componenti rigidi assemblati in una nuova "scatola" da indossare sul corpo. Quasi tutti questi componenti sono mutuati da settori preesistenti come l'elettronica di consumo, il settore medicale o quello automobilistico. L'innovazione hardware per la creazione di dispositivi realmente indossabili è relativamente scarsa.
Questa situazione sta cambiando. Come mostrato in Figura 1, aziende grandi e piccole stanno iniziando a realizzare dispositivi indossabili che siano effettivamente indossabili. Spesso si tratta di prodotti esplorativi in ​​fase iniziale, sviluppati per sondare il terreno e non ancora maturi, testati e rifiniti.
 
Figura 1: I dispositivi indossabili stanno passando da componenti rigidi in scatole a dispositivi realmente indossabili. Fino ad ora, quasi l'intero mercato era caratterizzato da sensori preesistenti mutuati da altri settori. Tuttavia, stiamo assistendo alla comparsa di nuovi sensori progettati specificamente per l'indossabilità.

Elettronica flessibile per la tecnologia indossabile:
la creazione di dispositivi realmente indossabili comprende tutti i componenti di sistema necessari. Si stanno compiendo progressi nel campo delle batterie, dei transistor/memorie, dei display, dei sensori, dei PCB e delle interconnessioni (connessioni flessibili) estensibili e/o adattabili. Tuttavia, la maggior parte dei componenti SCE (Software Conductive Electronics) si trova ancora in una fase molto iniziale di maturità tecnologica. Pertanto, in questo contesto, ci concentriamo sulle interconnessioni e sui sensori estensibili come due esempi di SCE già disponibili in commercio o in procinto di esserlo.
Le interconnessioni possono sembrare elementi semplici, ma sono cruciali per consentire applicazioni tessili realmente indossabili. Attualmente, esistono diversi approcci per la creazione di interconnessioni tessili, tra cui filati metallici sottili e fibre/filati rivestiti di metallo. Anche gli inchiostri conduttivi estensibili si stanno affermando come un serio candidato per questo ruolo. Questo perché la tecnologia degli inchiostri conduttivi è altamente adattabile, consentendo lo sviluppo di prodotti personalizzati per soddisfare diversi requisiti di prezzo e prestazioni (conduttività, estensibilità, ecc.). Questo è fondamentale in questa fase esplorativa del mercato, quando le esigenze dei clienti non sono ancora del tutto note e possono essere molto diverse tra loro.

Gli inchiostri presentano un ulteriore vantaggio, in quanto rappresentano una fase di post-produzione che può essere applicata universalmente una volta che il materiale tessile è stato fabbricato utilizzando processi esistenti e non modificati. Infatti, la tecnologia degli inchiostri ha il potenziale per sfruttare l'infrastruttura e il know-how esistenti per la serigrafia grafica su tessuti.
Come mostrato nella Figura 2, esistono già molti prototipi di tessuti elettronici (e-textile) e prodotti che utilizzano inchiostri conduttivi flessibili e/o elastici. Questi esempi spaziano dai cardiofrequenzimetri per esseri umani e animali (ad esempio, cavalli), ai sensori di pressione nelle calzature, agli interconnettori e altro ancora. Nel complesso, le nostre statistiche, mostrate nella Figura 2, dimostrano che l'interesse per gli inchiostri estensibili è in aumento. Il numero di prodotti/progetti di e-textile basati su inchiostri è aumentato significativamente di anno in anno.
 
Fig. 2: A sinistra sono riportati i prototipi e i prodotti di e-textile basati su inchiostri. (Le informazioni tra parentesi indicano dove/quando gli analisti di IDTechEx hanno scattato le foto.) A destra sono riportate le statistiche che mostrano che la popolarità delle soluzioni basate su inchiostri è in aumento nel settore dei tessuti elettronici. Fonte: IDTechEx.

Nonostante questo interesse, gli inchiostri estensibili non sono ancora un prodotto finito. C'è un ampio margine di miglioramento e personalizzazione. Nell'approccio attuale, lo strato stampato è inserito tra un substrato plastico e uno strato di incapsulamento, e poi laminato sul tessuto. Questa non è una soluzione elegante, poiché richiede due strati aggiuntivi. Il substrato viene essenzialmente utilizzato per creare una superficie comune in un settore in cui esistono numerosi tessuti, ognuno con caratteristiche superficiali molto diverse. Anche i materiali di incapsulamento comuni non sono ancora perfetti, in quanto non sono molto traspiranti e possono persino risultare scomodi. Anche le prestazioni degli inchiostri estensibili possono essere ulteriormente migliorate, sebbene l'ultima generazione sia più efficace nel sopprimere le variazioni di resistività con l'allungamento e nel resistere alle condizioni di lavaggio, rispetto alle versioni precedenti. Tutto ciò suggerisce un'opportunità per innovazioni nei materiali e formulazioni migliorate per consentire la realizzazione di inchiostri più estensibili che possano essere applicati direttamente su vari tessuti con una forte adesione.

Finora, questa tendenza è stata guidata dai fornitori di materiali/inchiostri e non tutte le aziende stanno ottenendo successo commerciale. In realtà, siamo ancora nelle fasi iniziali e la catena del valore per i tessuti elettronici è ancora in fase di formazione, con la partecipazione attiva di produttori tessili tradizionali, grandi produttori a contratto e importanti proprietari di marchi.
Molti esempi di sensori tessili estensibili (SCE) sono già commercializzati o in fase di commercializzazione. Ad esempio, i sensori piezoresistivi sono già in uso commerciale per misurare la distribuzione della pressione su topografie irregolari. Un caso d'uso prevede la misurazione della topografia dei denti di un paziente. Il paziente morde il sensore piezoresistivo e, così facendo, modifica lo spessore del sensore, e quindi la sua resistività, in vari punti, consentendo una lettura. In tali applicazioni, il grado di allungamento è spesso basso, mentre un'eccellente adattabilità alla superficie è essenziale.
Molti altri tipi di sensori estensibili sono in fase di sviluppo. Un esempio riguarda i sensori di deformazione estensibili che misurano grandi spostamenti (>100%), ben oltre le capacità degli estensimetri standard. L'architettura del dispositivo può essere relativamente semplice; Ad esempio, un polimero dielettrico può essere inserito tra due elettrodi stampati per creare un sensore di deformazione capacitivo. Questi sensori vengono commercializzati in modo aggressivo da diversi fornitori in tutto il mondo. Il potenziale campo di applicazione è molto ampio e comprende tessuti elettronici, robotica, macchinari industriali e altro ancora.
Sebbene possa sembrare che ci sia un'improvvisa impennata di interesse commerciale e progressi nella tecnologia SCE, queste tecnologie non diventano miracolose da un giorno all'altro. Ad esempio, si considerino i semplici sensori di deformazione estensibili basati su dielettrici. Sono stati sviluppati prototipi funzionanti, ma le aziende stanno cercando di commercializzarli da oltre 13 anni. Durante questo periodo, la proprietà intellettuale e i diritti di commercializzazione di questa tecnologia sono passati di mano almeno tre volte e sono stati testati numerosi potenziali mercati, creando una vasta esperienza commerciale.

L'elettronica strutturale rappresenta un possibile futuro per i dispositivi elettronici.
Essa costituisce un megatrend che trasformerà i componenti elettronici tradizionali in componenti elettronici realmente invisibili, integrati nella struttura stessa. Si tratta di un'importante innovazione a lungo termine che porterà a un cambiamento fondamentale nell'industria elettronica, compresa la sua catena del valore, i materiali e i componenti (Figura 3). L'elettronica estensibile e adattabile sta plasmando questo megatrend. Anzi, lo sta rendendo possibile.
Figura 3: L'elettronica strutturale rappresenta un trend che renderà la funzionalità elettronica parte integrante della struttura stessa.

In una manifestazione dell'elettronica strutturale (SCE), elettrodi/antenne vengono depositati sulla superficie di oggetti tridimensionali, eliminando la necessità di un circuito stampato separato. In questo caso, come per i sensori piezoresistivi, l'estensibilità è importante sotto forma di conformabilità di una superficie 3D preparata, piuttosto che l'elasticità o le capacità ad alta tensione. In un'altra manifestazione, l'elettronica in-mold (IME) contribuisce a incorporare strutturalmente funzionalità elettroniche in oggetti tridimensionali realizzati utilizzando processi ad alte prestazioni come la termoformatura.
Nell'IME, i materiali elettronici, insieme agli inchiostri grafici, vengono depositati (stampati o rivestiti) su un foglio piano prima di essere termoformati in una forma tridimensionale. Ciò provoca un grande stiramento unico dei materiali. Se si utilizzano materiali standard, questo stiramento causerà crepe e cedimenti degli strati. Pertanto, i materiali utilizzati devono essere prodotti o formulati appositamente per essere compatibili con l'IME.
Ciò rappresenta un'opportunità per i fornitori di materiali. Il primo materiale a rispondere a questa esigenza è stato l'inchiostro conduttivo, in parte grazie alla sua adattabilità tecnologica in termini di formulazioni personalizzate. Questa flessibilità ha contribuito a renderlo compatibile con IME. Infatti, come per lo sviluppo degli inchiostri conduttivi estensibili commerciali, i materiali compatibili con IME stanno vivendo un momento di grande espansione. Due anni fa c'erano solo due o tre fornitori, ma ora molti produttori di inchiostri hanno dimostrato la capacità di farlo o hanno lanciato commercialmente i loro prodotti, spesso con strategie di prezzo aggressive.
La gamma di materiali non si limita, ovviamente, agli inchiostri conduttivi. Un altro componente importante che sta diventando compatibile con IME sono i film conduttivi trasparenti (TCF), che costituiscono la base della tecnologia di rilevamento tattile capacitivo. Queste tecnologie TCF estensibili, comprese quelle basate su nanotubi di carbonio (o nanobud), nanofili d'argento e PEDOT, possono consentire la creazione di superfici tattili tridimensionali tramite processi di stampaggio.

Come mostrato in Figura 4, esistono già numerosi prototipi IME destinati ad applicazioni in grandi volumi per elettrodomestici, grandi volumi e settore automobilistico. Molti di questi prototipi sono nella fase finale di qualificazione. È interessante notare che IME ha avuto un falso inizio: una console IME era stata adottata in un'automobile prima che un malfunzionamento (attribuito alla semplificazione del processo dalla prototipazione alla produzione di massa) portasse al richiamo del prodotto. Questo episodio, che funge da monito, sottolinea ulteriormente il fatto che SCE non nasce dal nulla, ma è in fase di sviluppo da anni. Si noti che, nonostante il richiamo, l'impegno è rimasto forte e prevediamo lanci commerciali di prodotti a breve.
 Figura 4: Esistono molti esempi di prototipi IME destinati ad applicazioni in elettrodomestici di alta qualità, come le interfacce macchina-macchina per lavatrici, nonché ad applicazioni automobilistiche, come le console di controllo del sovraccarico o del riscaldamento. Il riquadro a destra contiene esempi di diverse pellicole conduttive trasparenti termoformate.

Fonti: In senso orario dall'alto a sinistra: Fujifilm (IDTechEx Show! USA 2016), Negase (Nepcon Japan 2017), Heraeus (IDTechEx Show! USA 2016), Aga (FineTech 2014), Canatu. (Le informazioni tra parentesi indicano dove e quando gli analisti di IDTechEx hanno scattato la foto.).

Un percorso lento ed economicamente vantaggioso verso l'innovazione:
nei prossimi anni assisteremo a una maggiore innovazione nel settore SCE (Software-Centered Electronics), poiché tutti i componenti elettronici, in misura variabile, stanno diventando flessibili e regolabili. Come descritto in precedenza, la maggior parte è ancora lontana dalla commercializzazione. Ciò è dovuto in parte all'immaturità tecnologica, ma anche al fatto che i componenti SCE sono spesso molto diversi dalle loro controparti rigide in termini di prestazioni e applicazioni. Di conseguenza, non possono essere semplicemente considerati una sostituzione di nuova generazione per i componenti/materiali esistenti.

Di fatto, i componenti SCE devono individuare e creare nuovi mercati e nuove categorie di prodotto. Ciò richiede un'esplorazione approfondita e dispendiosa in termini di tempo di numerose nicchie di mercato. Attualmente, diversi componenti SCE si trovano proprio in questa fase: il mercato sta assistendo a una moltitudine di idee applicative divergenti. Questa fase si concluderà inevitabilmente con l'individuazione dei prodotti di riferimento, che porterà il settore a consolidarsi attorno ad essi. Questo periodo di convergenza continuerà fino a quando la concorrenza non eroderà i margini, costringendo gli operatori a cercare nuovi mercati e innescando la successiva fase di divergenza.

L'elevato livello di diversità, sia in termini di tecnologie che di applicazioni target, offrirà in definitiva un'opportunità significativa al mercato dell'elettronica flessibile e conformabile (SCE). Sebbene non tutte le applicazioni avranno successo, sarebbe irragionevole presumere che tutte falliranno. Nelle nostre previsioni, stimiamo un mercato SCE da 600 milioni di dollari entro il 2027. Per ulteriori informazioni, consultare il nostro report "Stretchable and Conformal Electronics 2017-2027", disponibile all'indirizzo www.idtechex.com/stretchable
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