Електроніка на папері

Паперова електроніка може прокласти шлях до нового покоління дешевих, гнучких гаджетів

29 січня 2013 року
12 хв читати

Фото: Адам Зокко/Ендрю Стекл/Університет Цинциннаті

Ви прокидаєтеся з важкою головою. Це через півдюжини келихів шампанського, випитих вчора ввечері, чи ви захворіли? У вашій ванній кімнаті є маленька смужка паперу, яка може сказати вам напевно. Ви кладете її на язик і через кілька секунд витягуєте назад, щоб побачити погані новини: поруч зі словом “грип” стоїть маленька зелена крапка. Коли ви дістаєте з гаманця візитку свого лікаря, то помічаєте, що вона виглядає інакше, ніж тоді, коли ви дивилися на неї востаннє. Номер телефону його офісу спочатку був чорним. Тепер він відображається миготливими червоними літерами, що свідчить про те, що номер нещодавно був змінений.

Електроніка в цьому сценарії вже не за горами; фактично, основні технологічні прориви, необхідні для того, щоб вона працювала, були досягнуті за останні кілька років. На даний момент вартість все ще занадто висока для того, щоб їх можна було використовувати в таких речах, як візитні картки або етикетки на упаковках, але значні досягнення в матеріалознавстві і простіші методи виробництва створюють основу для цілого нового покоління дешевої, гнучкої, одноразової і, можливо, навіть придатної для переробки електроніки. І деякі з найбільш захоплюючих робіт в цій галузі відбуваються з папером.

На перший погляд, папір може здатися малоймовірним лідером у перегонах гнучкої електроніки. На перший погляд, цей матеріал не такий міцний, як пластик, і не такий гладкий, як нові, гнучкі форми скла. І на мікроскопічному рівні це просто клубок целюлозних волокон, навряд чи така структура ідеально підходить для виготовлення безлічі тонких, ідентичних компонентів схем.

Але папір насправді має багато переваг. Він легкий, гнучкий, біологічно розкладається і походить з відновлюваних ресурсів. Він також надзвичайно адаптується: За допомогою правильного набору добавок і виробничих процесів папір може набувати, здавалося б, нескінченного спектру властивостей. Його можна зробити гідрофільним або гідрофобним, пористим або водонепроникним, непрозорим або майже прозорим, делікатним або міцним, грубим або майже гладким, як скло.

Паперова електроніка також має потенціал бути надзвичайно дешевою. Сам по собі матеріал недорогий; звичайні різновиди коштують приблизно вдесятеро менше, ніж пластикова плівка. Навіть спеціальний папір, виготовлений спеціально для електроніки, коштує в перерахунку на площу приблизно на 1 відсоток більше, ніж кремній. Рулонні преси можуть друкувати мікроскопічні елементи на широких пачках зі швидкістю до 30 метрів за секунду – приблизно втричі швидше, ніж бігає олімпієць Усейн Болт.

Коли моя дослідницька група в Університеті Цинциннаті вперше почала працювати з папером у 2008 році, ми не думали надто широко про потенціал цього матеріалу як базового шару, або субстрату, для електроніки. Спочатку ми були зацікавлені у відносно вузькому застосуванні, яке можна було б назвати “електронний папір на папері”, по суті, електронні дисплеї, побудовані безпосередньо на папері. Початковий експеримент з підтвердження принципу працював набагато краще, ніж ми очікували, і за роки, що минули з того часу, я переконався, що потенціал паперу може бути таким же широким (якщо не таким же глибоким), як виявився потенціал кремнію. Папір вже показав свою перспективність як підкладка для сенсорів, біологічних аналізів, радіочастотних антен, батарей, друкованих плат і розумних пакувальних етикеток. У найближчі кілька років ми побачимо, як перші гаджети на основі цієї технології вийдуть з лабораторій і потраплять до рук споживачів та бізнес-користувачів.

Гнучкий стек: Транзистори на гнучких підкладках можуть бути побудовані з використанням органічних або неорганічних напівпровідникових каналів. Ця схема ілюструє спосіб виготовлення органічного перемикача.Ілюстрація: Емілі Купер

У світі технологій, де домінують пластик, скло і кремній, може бути несподіванкою дізнатися, що дослідження паперової електроніки насправді налічують майже 50 років. Наприкінці 1960-х років група Пітера Броуді в Westinghouse Electric Corp. експериментувала з папером, серед інших матеріалів, як з підкладкою для тонкоплівкових транзисторів, таких, що можуть бути вбудовані в комутаційні матриці для керування окремими пікселями на рідкокристалічному дисплеї.

Вже тоді, до того, як на сцені з’явилося безліч інновацій в області покриттів і обробки, папір мав ряд привабливих властивостей. Головною з них була його якість як електричного ізолятора. Папір, як правило, має питомий опір близько 10 мільярдів ом-см, що приблизно в 100 000 разів перевищує питомий опір кремнію. Це означає, що матеріал повинен, теоретично, досить добре працювати в якості підкладки для електронних пристроїв. Він настільки добре чинить опір потоку струму, що ефективно усуває один з найпоширеніших шляхів, яким електрони проникають через транзистор, коли він має бути вимкнений.

Це не означає, що папір є ідеальним матеріалом для створення транзисторів. Такі матеріали, як скло і традиційні напівпровідники, легко виготовляти з варіаціями висоти поверхні в кілька нанометрів або менше. Але варіації висоти паперу коливаються в кращому випадку від частки мікрометра до декількох мікрометрів, в залежності від розміру волокон і того, наскільки добре ці волокна змішуються, утворюючи плоский мат. Електронні пристрої, побудовані на такій нерегулярній поверхні, ймовірно, будуть сильно відрізнятися за своїми характеристиками, а значна частина з них взагалі не працюватиме.

Незважаючи на це, близько п’яти років тому, коли інтерес до електронних читалок і гнучких відбивних дисплеїв зріс, дослідники почали вивчати папір як підкладку для електроніки. Потенційна віддача була великою: якби вони змогли побудувати внутрішню схему, необхідну для управління пікселями, вони були б на півдорозі до створення змінного світловідбиваючого дисплея, який, природно, має вигляд і відчуття паперу (і є таким же тонким, легким і гнучким).

З того часу близько півдюжини дослідницьких груп досягли значних успіхів у створенні транзисторів на основі паперу. Для струмопровідних каналів вони використовували або неорганічні напівпровідники, такі як кремній або оксид галію-цинку-індію, або органічні матеріали, такі як пентацен або P3HT. Значна частина цього прогресу була досягнута завдяки знаходженню або розробці правильних видів паперу. Найкращими є ті, що мають спеціальні полімерні покриття, які допомагають заповнити западини на поверхні і ущільнити папір, щоб запобігти хімічній деградації під час процесу виготовлення.

Папір просто згорить при температурах, які використовуються для вирощування та обробки кристалічних плівок, що використовуються в традиційних напівпровідниках, тому неорганічні транзистори на основі паперу зазвичай виготовляються з аморфних, некристалічних плівок. Вони можуть бути сформовані при більш низькій температурі за допомогою стандартних методів осадження матеріалу у вакуумі, таких як випаровування або розпилення. Ця стратегія виготовлення проста, але отримані транзистори, як правило, мають властиву паперу текстурну варіацію, в результаті чого напруга, необхідна для протікання струму в них, може в десятки разів перевищувати напругу, необхідну для переміщення електронів через транзистори, побудовані на склі або кремнії. Група Джона Роджерса в Університеті Іллінойсу в Урбана-Шампейн, наприклад, вдосконалює альтернативний підхід, коли схеми будуються на кремнії, а потім переносяться на папір (або інші підкладки) після того, як вони закінчені. Цей метод має тенденцію створювати більш ефективні схеми, хоча процес виготовлення значно складніший, а також дорожчий, оскільки починається з кремнієвої пластини.

Однак, коли справа доходить до масового виробництва, органічні напівпровідники можуть бути правильним вибором. На відміну від неорганічних матеріалів, органічні сполуки можна розчиняти в рідині і наносити на папір за допомогою рулонних принтерів, так само, як і звичайне чорнило. Але такий підхід все ще стикається з деякими перешкодами. По-перше, транзистори, як правило, працюють повільніше, що пов’язано з внутрішніми властивостями органічних напівпровідників. А органічні перемикачі, природно, більш чутливі до умов навколишнього середовища. Кисень і водяна пара, наприклад, можуть руйнувати або навіть відкривати проміжок між органічним матеріалом і металевим електродом через хімічну деградацію шляхом окислення або часткового розчинення структури. Обробка поверхні може допомогти зробити папір – який природним чином вбирає вологу з повітря, що може вплинути на пристрій, побудований на ньому – відносно непроникним. Але для того, щоб органічні схеми добре працювали протягом тривалого часу у відносно вологому середовищі, все одно потрібне виправлення.

Фото: Duk-Young Kim/Andrew J. Steckl/University of Cincinnati

Папір можна використовувати для виготовлення дисплеїв, які або відбивають вхідне світло, або випромінюють власне. Одним із способів створення відбивного дисплея є зміна поверхневого натягу рідких пікселів.

Тонкоплівкові схеми, побудовані на папері, занадто повільні, щоб розглядати їх для обчислень загального призначення, але вони є привабливим засобом для контролю і взаємодії з “зовнішніми” пристроями, такими як датчики, дисплеї і пристрої для збору енергії.

Створення таких пристроїв на папері може бути таким же складним завданням, як і створення внутрішньої електроніки. Але вже досягнуто значного прогресу, особливо у відносно недорогій і малопотужній сфері відбивних дисплеїв. Одним з перспективних підходів є електрохромний дисплей, який використовує пікселі, виготовлені з провідного полімеру. Якщо до такого пікселя прикласти достатню напругу, то електрони будуть вибиватися і оптичні властивості полімеру змінюватимуться, перетворюючи його, скажімо, з темно-синього на прозорий. Такий підхід, який започаткувала група Магнуса Берггрена з Лінчепінгського університету у Швеції, має чимало переваг. По-перше, для його роботи потрібно лише кілька вольт, і він конструктивно досить простий. Але є і кілька недоліків. Палітра кольорів обмежена, а швидкість перемикання досить повільна. Для повного перетворення пікселів може знадобитися від частки секунди до декількох секунд, що робить дисплей непридатним для повноцінного відтворення відео.

В Університеті Цинциннаті моя група працювала над адаптацією альтернативного підходу до відображення, який називається електрозмочування, що традиційно використовується зі склом. Електрозмочування працює шляхом утримання рідини між двома поверхнями, а потім змінює її поверхневий натяг за допомогою прикладеної напруги. Зміна поверхневого натягу змушує кольорову рідину або розтікатися і відбивати світло, або збиратися в кульку і пропускати світло. Папір навряд чи здається природним матеріалом для цієї техніки. Дисплеї з електрозмочуванням зазвичай використовують рідини, такі як вода та олія, які легко поглинаються папером. Пікселі також повинні бути побудовані на дуже гладкій, схожій на скло поверхні, щоб забезпечити надійність і швидкий відгук. З шорсткою поверхнею дуже важко гарантувати, що рідини кожного разу будуть рухатися туди, куди вони повинні.

Спочатку ми спробували папір з восковим покриттям, який ви можете знайти у своїй кухонній шафці, стандартний комерційний папір з гладкою поверхнею, а також напівпрозорий папір, який називається пергамент. Хоча поверхня всіх цих видів паперу є водонепроникною, вона все ж таки поглинає рідину. Тоді до нас звернулася бостонська компанія Sappi Fine Paper North America, яка створила папір з полімерним покриттям із середньою шорсткістю поверхні в пару нанометрів, що лише трохи вище, ніж у скла. Здавалося, що це саме те, що треба. За допомогою цього матеріалу ми змогли зробити надійні пікселі з часом перемикання до 10 мілісекунд – майже придатні для відео. Зараз ми працюємо над розробкою дисплеїв на паперовій основі з використанням електроосадження. Ми вважаємо, що такий підхід може бути ідеальним для розумних етикеток на упаковках, які можуть, наприклад, показувати відео про те, як використовувати продукт, або для дисплеїв, що містять життєво важливу інформацію для солдатів у польових умовах, які можуть бути швидко знищені в разі потреби.

Як для дисплеїв, так і для внутрішньої електроніки, виробництво все ще залишається проблемою. Найшвидший і найдешевший спосіб створення паперової електроніки – це використання рулонного принтера. Але найсучасніша роздільна здатність цих машин наразі становить близько 10 мікрометрів. Тому гнучка електроніка, виготовлена на цих машинах, матиме розміри приблизно такі ж, як у кремнієвих мікросхем у 1971 році, коли мікропроцесори мали близько 2000 транзисторів. Покращення такої роздільної здатності без втрати швидкості друку потребуватиме років і значних інвестицій.

Тим не менш, розмір – це ще не все. Дисплеї – особливо якщо вони можуть бути побудовані економічно – можуть бути досить читабельними і привабливими, навіть якщо вони побудовані з компонентів, які набагато більші, ніж ті, що потрібні для сучасних інтегральних схем. (Зрештою, сучасні найсучасніші планшети та електронні читалки можуть похвалитися розміром пікселів близько 100 мкм, що приблизно в 10 000 разів більше, ніж мінімальний розмір елементів, необхідний для створення найсучасніших мікросхем пам’яті). Деякі компоненти схем потребують більших розмірів для нормального функціонування. Наприклад, радіочастотні ідентифікаційні мітки потребують відносно великих антен, щоб мати можливість приймати і передавати електромагнітні хвилі з радіочастотною довжиною хвилі. Навіть найменші RFID-чіпи, про які повідомляється на сьогоднішній день, мають розмір близько 50 мкм. А високовольтна силова електроніка, як правило, працює краще, коли її роблять більшою, тому що розподіл навантаження на велику площу зменшує ймовірність електричного пробою. Це сфера, де папір вже багато років використовується в якості ізолятора в трансформаторах.

Зображення: Сюй Лі/Вей Шен/Університет Монаша

Направлення рідин: Ці базові мікрофлюїдні датчики побудовані на фільтрувальному папері. Прямі канали ведуть до круглих сенсорних областей, які стають червоними в присутності діоксиду азоту.

Ті з нас, хто створює електронні пристрої і дисплеї на основі паперу, певною мірою працюють проти властивих паперу властивостей. Але є одна потенційна сфера застосування, де папір явно природно підходить: мікрофлюїдика.

Мікрофлюїдні пристрої працюють шляхом транспортування рідин з одного місця в інше. У сфері біомедичних технологій вони особливо корисні, оскільки дозволяють проводити тести, такі як аналіз ДНК або виявлення токсинів, в невеликих об’ємах рідини, що дозволяє скоротити витрати на дорогі хімічні речовини і реагенти і значно зменшити кількість біологічних рідин, які необхідно вилучати у пацієнтів. На сьогоднішній день більшість мікрофлюїдних приладів є високоточними пристроями, які використовують пластикові трубки подачі та насоси з зовнішнім живленням, які можуть займати досить багато місця на прилавку. При правильній структурі папір може бути використаний для проведення подібних тестів без цих зовнішніх аксесуарів. Вузькі канали між волокнами паперу чудово всмоктують воду та інші рідини автоматично за рахунок капілярної дії.

Деякі компанії вже скористалися цією можливістю для створення одноразових тестів на вагітність та рівень цукру в крові. Але останнім часом акцент змістився на підхід “знизу вгору”. Замість того, щоб створювати недорогі версії конкретних тестів, дослідники зараз намагаються розробити загальний клас мікрофлюїдних систем на паперовій основі, які потім можуть бути адаптовані для створення різноманітних тестів, наприклад, для моніторингу функції печінки або діагностики туберкульозу. Якщо все зробити правильно, ці тести можуть бути компактними, автономними і дешевими. Їх також можна було б використовувати без особливої підготовки, вдома або в польових умовах, і легко утилізувати шляхом спалювання після одного використання.

Двома піонерами в цій галузі є Джордж Уайтсайдс з Гарвардського університету і Пол Ягер з Вашингтонського університету. Обидва отримали ранню і постійну підтримку Фонду Білла і Мелінди Гейтс у розробці простих і дуже дешевих діагностичних приладів, які не потребують спеціальних навичок або обладнання. Їхні групи розробили кілька простих і елегантних підходів до формування паперових мікрофлюїдних пристроїв.

Один з підходів ґрунтується на процесі нанесення візерунків на основі воску, в якому використовується струменевий принтер для розміщення елементів на папері за допомогою “чорнила” на основі воску. Після друку папір нагрівають, щоб віск розподілився по всій товщині матеріалу. Оскільки просочені воском ділянки є гідрофобними, потік рідини обмежується вільними від воску ділянками. Гніт в кінцевому підсумку направляє рідину, що тестується, в сухі “відсіки”, що містять хімічні реагенти або біомаркери. Якщо присутня правильна комбінація сполук, відбувається хімічна реакція, що призводить до зміни кольору, який користувач може потім прочитати.

Тривимірні версії цих приладів були розроблені з метою створення компактних пакетів, які можуть виконувати кілька тестів, в різних шарах, на одному і тому ж зразку або ж надлишкових тестів, щоб зменшити ймовірність помилкового результату. Одна з останніх інновацій належить групі Річарда Крукса з Техаського університету в Остіні, яка знайшла спосіб конструювати багатошарові паперові рідинні пристрої з одного аркуша паперу. Підхід команди, схожий на орігамі, починається з двовимірного гідрофобного візерунка, який формується за допомогою фоторезисту. Після кількох вибіркових надрізів ножицями та деякого складання (нагадує складання паперової ляльки), багатошаровий квадрат можна зібрати без інструментів. В отриманій збірці перекриті отвори дозволяють рідині протікати через дев’ять шарів.

Ці випробування на основі паперу вже породили дочірні компанії і некомерційні організації і, ймовірно, стануть першою технологією на основі паперу, яка буде комерціалізована. Я очікую, що з часом їх можна буде доповнити комунікаційними схемами і деякою логікою для створення дистанційних датчиків. Але ще багато треба дізнатися про фактичну вартість виробництва цих аналізів, а також про практичні властивості, такі як термін придатності, чутливість і відтворюваність їх результатів.

Фото: Патрік Гіллулі/MIT

Paper Power: Гнучкі, складні масиви сонячних елементів можуть бути побудовані на паперовій підкладці за допомогою осадження з газової фази. Зображена тут сонячна батарея складається з п’яти шарів і використовує органічні фотоелектричні матеріали для перетворення світла в електрику з ефективністю близько 1 відсотка.

Дисплеї і мікрофлюїдні системи, які я описав, далеко не єдині сфери застосування, які досліджуються. Моя група та інші, наприклад, активно створюють світловипромінюючі пристрої на папері для виготовлення дисплеїв, що світяться. Інші досліджують нові способи побудови гнучких радіочастотних антен, прикріплених до криволінійних поверхонь, які підвищують їх ефективність. Звичайно, незалежно від того, що ми вирішимо створити, паперова електроніка завжди буде обмеженою, якщо ми не знайдемо спосіб доставити енергію до пристроїв таким же мобільним, тонким, легким і гнучким способом, як і сам папір. Що ми дійсно хотіли б зробити, так це створити батареї, конденсатори або фотоелектричні елементи безпосередньо на тому ж папері, на якому розміщені пристрої.

Одним з потенційних способів зберігання енергії на папері є використання його довгих, тонких целюлозних волокон, які пропонують велику площу поверхні, що потенційно може бути використана для зберігання заряду. Папір можна просочити електролітами, щоб зробити варіацію традиційної батареї. Крім того, він може бути покритий неорганічним металом або вуглецем для зберігання заряду. Ця робота вже досить далеко просунулася, і її комерційною реалізацією займаються такі фірми, як Paper Battery Co. в Трої, штат Нью-Йорк, Power Paper в Ізраїлі і Enfucell у Фінляндії. Характеристики зберігання вже виглядають багатообіцяючими: квадратний пластир товщиною 1 міліметр і розміром 10 на 10 сантиметрів може зберігати кілька сотень міліампер-годин при напрузі 1,5 вольта, що становить приблизно 10-20 відсотків ємності типової батарейки типу АА.

Як тільки всі ці компоненти – живлення, внутрішня електроніка і зовнішні пристрої – будуть на місці, я вважаю, що можна буде розробити повністю інтегровані, повноцінні системи на папері, які зможуть живити себе і спілкуватися із зовнішнім світом.

Але пошук шляхів такої інтеграції стане значним викликом. Ідеальна паперова підкладка для внутрішніх схем може сильно відрізнятися від тієї, що потрібна для створення, скажімо, зовнішнього дисплея або поєднання мікрофлюїдного пристрою з логічними і комунікаційними схемами. Певні елементи, зокрема дроти, що використовуються для з’єднання компонентів, особливо крихкі і повинні бути ретельно виготовлені, можливо, з використанням матеріалів і геометрії, відмінних від тих, що застосовуються в звичайних жорстких інтегральних схемах.

Але подумайте про можливості, якщо ми досягнемо успіху. Ми могли б заповнити важливу економічну прогалину в технологічному спектрі електричних пристроїв, між низькотехнологічною сферою ламп розжарювання і електродвигунів і високотехнологічним світом комп’ютерних чіпів і плоских дисплеїв. Хоча вартість виготовлення окремого транзистора знижується протягом десятиліть, загальні фіксовані витрати на матеріали, фабрики та обладнання є значними і продовжують зростати. Нам потрібен принципово новий підхід, якщо ми хочемо струснути галузь.

Папір, ймовірно, буде повільно з’являтися в електроніці: Спочатку ви побачите його на ринках, де головним фактором є низька вартість, а не висока продуктивність або мала площа. На цьому шляху папір зіткнеться з конкуренцією: Пластик є більш міцним і дружнім до електроніки, а скло тепер можна зробити настільки тонким і гнучким, що неможливо уявити, що одного дня його можна буде подавати в рулонні машини. Незважаючи на це, папір має потенціал розширити сферу застосування електроніки в областях, про які ми, можливо, ніколи не думали раніше, пропонуючи споживачам набагато ширший діапазон вибору, коли справа доходить до продуктивності, надійності і ціни. На папері (вибачте за каламбур) мало підстав думати, що ця технологія надовго залишиться в лабораторії.

Ця стаття спочатку з’явилася в пресі під назвою “Схеми на целюлозі”.

Про автора

Ендрю Дж. Стекл – професор електротехніки в Університеті Цинциннаті. Член IEEE, він є членом IEEE з часів свого навчання в коледжі. Після ранньої роботи з виготовлення звичайних, жорстких напівпровідників, він став прихильником альтернативних матеріалів, таких як папір. “Дивовижно, що можна зробити, якщо поєднати дешеві матеріали і добре подумати”, – каже він.

Source: spectrum.ieee.org