La electrónica flexible y adaptable es más que solo novedades. Este artículo describe cuántos de los aspectos más simples y menos glamorosos de los dispositivos flexibles y adaptables ya se han comercializado o están a punto de ser comercializados.

La mayoría de la gente todavía cree que la electrónica flexible y adaptable (SCE) son curiosidades académicas sin un mercado particular. Esta creencia parece estar basada en estudios de prueba de concepto que ocasionalmente se publican, basados ??en los resultados de esos dispositivos raros que funcionan bien. Incluso cuando las empresas muestran prototipos, es fácil descartarlos como meros ejercicios de marketing ideados para hacer que sus inventores se vean como líderes de I + D.
Sin embargo, con respecto a la industria SCE, hay mucho más de lo que parece. En IDTechEx (la firma de investigación de mercado en la que nos basamos), hemos estado investigando esta frontera tecnológica durante varios años. En este artículo, describiremos cuántos de los aspectos más simples y menos glamorosos de SCE ya se han comercializado o están a punto de comercializarse. Y discutiremos dos tendencias principales que apuntalan el interés en SCE: (1) los wearables que realmente son vestibles y (2) los componentes electrónicos estructurales. Además, argumentaremos que ver a SCE como una entidad única es totalmente engañoso. SCE es un término general bajo el cual existen muchas tecnologías y aplicaciones diferentes. Es apropiado ver a SCE como una colección de aplicaciones y soluciones de nicho dispares.

La tecnología wearable se está volviendo realmente vestible
El interés en la tecnología wearable aumentó exponencialmente a partir de finales de 2013. Esto vino acompañado por la aparición de varias categorías de productos nuevos que ayudaron a definir la nueva tecnología portátil frente a la antigua tecnología portátil (relojes de bolsillo y de pulsera, que datan de siglos atrás). Estas nuevas categorías incluyen relojes inteligentes conectados, gafas inteligentes, gafas de realidad virtual y aumentada, y más.
Cada una de estas categorías es muy diferente en términos de tecnología subyacente, nivel de preparación, mercados objetivo y potencial de ganancias actuales y futuras. De hecho, en un pronóstico reciente del mercado, nuestro equipo rastreó 42 categorías diferentes de dispositivos wearables, con un crecimiento general desde una base actual de alrededor desde 35.000 millones a más de 155.000 millones de dólares para 2027.
A menudo hay poca unificación de estas tecnologías dispares. De hecho, existe una posibilidad real de que la diferente suerte de estas categorías hagan que el término global de la tecnología wearable sea irrelevante en un futuro no muy lejano.
A pesar de esta divergencia pendiente, una tendencia común en casi todos los dispositivos es un cambio en el factor de forma. Si analiza el panorama actual de los productos, pronto descubrirá que se trata simplemente de componentes antiguos y rígidos ensamblados en una nueva "caja" que se puede usar en algún lugar del cuerpo. Casi todos estos componentes se toman prestados de industrias existentes tales como los sectores de electrónica de consumo, médico o de automoción Existe relativamente poca innovación de hardware para crear dispositivos verdaderamente portátiles o wearables.
Esto está cambiando. Como se muestra en la Fig. 1, las empresas, grandes y pequeñas, están empezando a hacer que los dispositivos wearables sean realmente vestibles. A menudo, se trata de productos exploratorios en fase inicial que se han desarrollado para evaluar las aguas y aún no están maduros, se han probado y se han terminado.
 
Fig. 1: Los dispositivos vestibles están empezando a pasar de componentes rígidos en cajas a dispositivos verdaderamente portátiles. Hasta ahora, casi todo este mercado cuenta con sensores existentes tomados de otras industrias. Sin embargo, ahora vemos nuevos sensores hechos con capacidad de uso en mente.

Electrónica flexible para tecnología usable
Trabajar para crear dispositivos verdaderamente vestibles incluye todas las partes requeridas del sistema. Se avanza en baterías estirables y / o adaptables, transistores / memorias, pantallas, sensores, PCB e interconexiones (conexiones flexibles). Sin embargo, la mayoría de los componentes de SCE aún están en una etapa muy temprana de preparación tecnológica. Aquí, por lo tanto, nos enfocamos en interconexiones y sensores extensibles como dos ejemplos de SCE que ya son comerciales o están a punto de comercializarse.
Las interconexiones pueden parecer elementos simples, pero son cruciales para permitir aplicaciones basadas en textiles verdaderamente vestibles. Actualmente, existen varios enfoques para crear interconexiones basadas en textiles, que incluyen hilo de metal fino y fibra / hilo revestido de metal. Las tintas conductoras extensibles también están emergiendo como un competidor serio para cumplir este rol. Esto se debe a que la tecnología de tinta conductiva es altamente adaptable, lo que permite desarrollar productos personalizados para satisfacer diferentes requisitos de precio y rendimiento (conductividad, capacidad de estiramiento, etc.). Esto es crítico en esta etapa exploratoria del mercado cuando los requisitos del cliente no son completamente conocidos y pueden ser muy divergentes.

Las tintas tienen una ventaja adicional ya que son un paso de postproducción que se puede aplicar universalmente una vez que se fabrica un material textil utilizando procesos existentes no modificados. De hecho, la tecnología de la tinta tiene el potencial de aprovecharse de la infraestructura existente y el know-how para los gráficos de serigrafía en textiles.
Como se muestra en la figura 2, ya hay muchos prototipos de textiles electrónicos (e-textile) y productos que usan tintas conductoras flexibles y / o elásticas. Estos ejemplos van desde monitores de ritmo cardíaco para humanos y animales (por ejemplo, caballos), sensores de presión en el calzado, interconexiones, etc. En general, nuestras estadísticas, que se muestran en la figura 2, demuestran que el interés en las tintas extensibles está en aumento. El número de productos / proyectos de textiles electrónicos basados ??en tinta ha aumentado significativamente año tras año.
 
Fig. 2: A la izquierda están los prototipos y productos de textiles electrónicos basados en tinta.  (La información entre paréntesis indica dónde / cuando los analistas de IDTechEx tomaron las fotos). A la derecha hay estadísticas que muestran que la popularidad de las soluciones basadas en tinta está en aumento en los textiles electrónicos. Fuente: IDTechEx.

A pesar de este interés, las tintas extensibles aún no son un artículo acabado como producto. Hay mucho espacio para la mejora continua y la personalización. En el enfoque actual, la capa impresa se intercala entre un sustrato de plástico y una capa de encapsulación, y luego se lamina sobre el textil. Esta no es una solución suficientemente elegante ya que requiere dos capas adicionales. El sustrato se utiliza esencialmente para crear una superficie común en una industria en la que existen numerosos textiles, cada uno ofreciendo una característica de superficie muy diferente. Los materiales de encapsulamiento comunes tampoco son todavía perfectos, ya que no son muy transpirables o incluso son incómodos. El rendimiento de las tintas extensibles también puede mejorarse aún más, aunque la última generación es mejor a la hora de suprimir los cambios de resistividad con elongación y para resistir las condiciones de lavado, en comparación con las versiones anteriores. Todo esto sugiere que hay oportunidad para innovaciones de materiales y formulaciones mejoradas para permitir tintas más extensibles que se pueden aplicar directamente sobre diversos textiles con una fuerte adhesión.

Hasta ahora, esta tendencia se ha caracterizado por un empuje de los proveedores de material / tinta, y no todas las empresas están experimentando éxito comercial. De hecho, todavía estamos en los primeros días y la cadena de valor para el textil electrónico todavía se está formando, con la participación activa de los fabricantes de textiles tradicionales, grandes fabricantes por contrato y los principales propietarios de marcas.
Muchos ejemplos de sensores SCE se comercializan o se acercan a la comercialización. Por ejemplo, los sensores piezorresistivos ya se usan comercialmente para medir la distribución de presión sobre topografías desiguales. Un caso de uso implica medir la topografía de los dientes de un paciente. El paciente muerde el sensor piezorresistivo, y al hacerlo, cambia el grosor del sensor, y por lo tanto su resistividad, en varios lugares, lo que permite una lectura. En tales aplicaciones, el grado de estiramiento es a menudo bajo, mientras que la adaptabilidad de la superficie es excelente y esencial.
También se están desarrollando muchos otros tipos de sensores extensibles. Un ejemplo involucra sensores de tensión extensibles que miden desplazamientos grandes (> 100 por ciento), mucho más allá de las capacidades de los medidores de tensión estándar. La arquitectura del dispositivo puede ser relativamente simple; por ejemplo, un polímero dieléctrico puede intercalarse entre dos electrodos impresos para crear un sensor de tensión capacitivo. Estos sensores están siendo comercializados agresivamente por varios proveedores en todo el mundo. El espacio de aplicación objetivo es potencialmente muy amplio, abarcando e-textiles, robótica, maquinaria industrial, etc.
Aunque pueda parecer que hay un interés comercial repentino y progreso en SCE, estas tecnologías no se convierten en maravillas de la noche a la mañana. Por ejemplo, considere los simples sensores de tensión estirables basados ??en dieléctricos. Se han desarrollado ejemplos de trabajo, pero las compañías han estado tratando de comercializar estos durante más de 13 años. Durante este tiempo, los derechos de propiedad intelectual y comercialización de esta tecnología han cambiado de manos al menos tres veces, y se han probado numerosos mercados potenciales, creando una gran acumulación de experiencia comercial.

La electrónica estructural es un posible final para dispositivos electrónicos
La electrónica estructural representa una megatendencia que transformará a los componentes electrónicos tradicionales de componentes en una verdadera electrónica invisible que forma parte de la estructura misma. Esta es una importante innovación a largo plazo que conducirá a un cambio de raíz y rama de la industria electrónica, incluida su cadena de valor, materiales y componentes (figura 3). La electrónica estirable y adaptable está dando forma a esta megatendencia. De hecho, la habilita.
Fig. 3: La electrónica estructural representa una tendencia que hará que la funcionalidad electrónica se convierta en una parte de la estructura misma.

En una manifestación de SCE en electrónica estructural, los electrodos / antenas se depositan en la superficie de objetos en forma de 3D, eliminando la necesidad de una placa de circuito impreso separada. Aquí, como en los sensores piezorresistivos, la capacidad de estiramiento es importante en la forma de una adaptabilidad de superficie 3D preparada en lugar de elasticidad o capacidades de alta tensión. En otra manifestación, la electrónica en el molde (IME) está ayudando a incrustar estructuralmente la funcionalidad electrónica en objetos tridimensionales fabricados mediante procesos de alto rendimiento como termoformado.
En IME, los materiales electrónicos, junto con las tintas gráficas, se depositan (imprimen o recubren) en una hoja plana antes de termoformarse en una forma tridimensional. Esto hace que los materiales experimenten un gran suceso de estiramiento único. Si se emplean materiales estándar, este estiramiento causará grietas y fallos en la capa. Por lo tanto, los materiales utilizados deben estar especialmente fabricados o formulados para ser compatibles con IME.
Aquí aparece una oportunidad para los proveedores de materiales. El primer material para responder a esta necesidad ha sido la tinta conductiva, en parte debido a su adaptabilidad tecnológica en términos de formulaciones personalizadas. Esta flexibilidad la ha ayudado a ser compatible con IME. De hecho, como en el desarrollo de tintas conductoras extensibles comerciales, el material compatible con IME experimenta un suceso de estiramiento único. había solo dos o tres proveedores hace dos años más o menos, pero ahora muchos proveedores de tinta han demostrado la capacidad o lanzado comercialmente sus productos, a menudo con estrategias de precios agresivas.
El menú de materiales no está limitado, por supuesto, a tintas conductoras. Otro componente importante que se está convirtiendo en compatible con IME son las películas conductoras transparentes (TCF), que forman la base de la tecnología de detección táctil capacitiva. Estas tecnologías de TCF estirable, incluidas las basadas en nanotubos de carbono (o nanobuds), nanocables de plata y PEDOT, pueden permitir superficies táctiles en forma de 3D creadas mediante procesos de moldeo.

Como se muestra en la Fig. 4, ya hay numerosos prototipos de IME destinados a electrodomésticos de gran volumen y electrodomésticos de línea blanca, y aplicaciones para automoción. Muchos de esos prototipos están en la etapa final de calificación. Curiosamente, IME había tenido un falso comienzo en el sentido de que una consola aérea IME había sido adoptada en un automóvil antes de que el mal funcionamiento (atribuido a la simplificación del proceso desde la creación de prototipos a la producción en masa) provocara la retirada del producto. Esta historia de advertencia subraya aún más el hecho de que SCE no aparece de la noche a la mañana, y de hecho se ha estado gestando durante años. Tenga en cuenta que a pesar de esa retirada del mercado, el compromiso se ha mantenido firme detrás y esperamos lanzamientos de productos comerciales pronto.
 Fig. 4: Hay muchos ejemplos de prototipos IME que están destinados a aplicaciones de electrodomésticos de buena calidad, como las interfaces máquina-máquina de la lavadora, así como en aplicaciones para automoción, como las consolas de control de sobrecarga o de calefacción.  En el recuadro de la derecha hay ejemplos de varias películas conductoras transparentes termoformadas.

Fuentes: en sentido horario desde arriba a la izquierda: Fujifilm (IDTechEx Show! USA 2016), Negase (Nepcon Japan 2017), Heraeus (IDTechEx Show! USA 2016), Aga (FineTech 2014), Canatu. (La información entre paréntesis indica dónde / cuándo los analistas de IDTechEx tomaron la foto).

Un camino lento y rentable hacia la innovación
Habrá mucha más innovación en SCE en los próximos años, porque todos los componentes electrónicos, en diversos grados, se vuelven elásticos y ajustables. Como se describió anteriormente, la mayoría todavía están lejos de la comercialización. Esto se debe en parte a la inmadurez tecnológica, pero también porque los componentes SCE a menudo son muy diferentes de sus contrapartes rígidas en términos de rendimiento y aplicación. En consecuencia, no pueden simplemente considerarse un sustituto de la próxima generación de componentes / materiales existentes.

De hecho, los componentes de SCE deben encontrar y crear nuevos mercados y nuevas categorías de productos. Esto requiere una extensa exploración que consume mucho tiempo de muchos nichos de mercado. Actualmente vemos que varios componentes de SCE están exactamente en esta fase: el mercado está experimentando muchas ideas de aplicación divergentes. Esta fase terminará inevitablemente a medida que se encuentren los productos afectados, haciendo que la industria se consolide a su alrededor. Este período de convergencia continuará hasta que la competencia erosione los márgenes, forzando a los jugadores a buscar nuevos mercados y desatar la próxima fase de divergencia.

El alto nivel de diversidad, sin embargo, tanto en términos de tecnologías como de aplicaciones objetivo, finalmente ofrecerá una gran oportunidad al mercado de SCE. Si bien cada aplicación no tendrá éxito, no sería razonable suponer que todas las aplicaciones fallarán. En nuestras previsiones, podemos ver un mercado de 600 millones de dólares para 2027 para SCE. Para obtener más información, consulte nuestro informe, Stretchable and Conformal Electronics 2017-2027, disponible en www.idtechex.com/stretchable
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