Электроника на бумаге

Бумажная электроника может проложить путь к новому поколению дешевых, гибких гаджетов

29 января 2013 г.
12 минут чтения

Фото: Адам Зокко/Эндрю Дж. Стекл/Университет Цинциннати

Вы просыпаетесь с тяжелой головой. Это из-за полудюжины бокалов шампанского прошлой ночью или вы заболеваете? В вашей ванной комнате есть маленькая полоска бумаги, которая может сказать вам наверняка. Вы кладете ее на язык и через несколько секунд отдергиваете, чтобы узнать плохие новости: рядом со словом “грипп” стоит маленькая зеленая точка. Когда вы достаете из бумажника визитную карточку своего врача, вы замечаете, что она выглядит иначе, чем когда вы смотрели на нее в последний раз. Изначально номер телефона его офиса был черным. Теперь он отображается мигающими красными буквами – признак того, что номер недавно был изменен.

Электроника в этом сценарии не за горами; на самом деле основные технологические прорывы, необходимые для ее работы, были достигнуты за последние несколько лет. В настоящее время их стоимость все еще слишком высока для использования в таких вещах, как визитные карточки или этикетки на упаковках, но значительные успехи в материаловедении и более простые методы изготовления создают основу для появления совершенно новой породы дешевой, сгибаемой, одноразовой и, возможно, даже перерабатываемой электроники. И одни из самых интересных работ в этой области связаны с бумагой.

На первый взгляд, бумага может показаться маловероятным лидером в гонке гибкой электроники. Прямо с полки, этот материал не такой прочный, как пластик, и не такой гладкий, как новые, гнущиеся формы стекла. А на микроскопическом уровне это просто клубок целлюлозных волокон – вряд ли такая структура идеально подходит для изготовления множества тонко детализированных, одинаковых компонентов схемы.

Но на самом деле у бумаги есть много достоинств. Она легкая, гибкая, биоразлагаемая и производится из возобновляемых ресурсов. Кроме того, она чрезвычайно легко адаптируется: При правильном наборе добавок и производственных процессов бумага может приобретать, казалось бы, бесконечное множество свойств. Ее можно сделать гидрофильной или гидрофобной, пористой или водонепроницаемой, непрозрачной или почти прозрачной, тонкой или прочной, грубой или гладкой, как стекло.

Бумажная электроника также обладает потенциалом необычайной дешевизны. Сам материал по своей сути недорог; обычные сорта стоят примерно в десятую долю меньше, чем пластиковая пленка. Даже специальная бумага, созданная специально для электроники, стоит примерно на 1% больше, чем кремний. Рулонные прессы могут печатать микроскопические элементы на широких рулонах со скоростью до 30 метров в секунду – примерно в три раза быстрее, чем бегает олимпиец Усэйн Болт.

Когда моя исследовательская группа в Университете Цинциннати впервые начала работать с бумагой в 2008 году, мы не думали слишком широко о потенциале этого материала в качестве базового слоя или подложки для электроники. Изначально нас интересовало относительно узкое применение, то, что можно назвать “электронной бумагой на бумаге”, то есть электронные дисплеи, созданные непосредственно на бумаге. Первоначальный эксперимент по доказательству принципов сработал гораздо лучше, чем мы ожидали, и за прошедшие годы я убедился, что потенциал бумаги может быть таким же широким (если не таким глубоким), каким оказался потенциал кремния. Бумага уже показала свои перспективы в качестве подложки для сенсоров, биологических анализов, радиочастотных антенн, батарей, печатных плат и этикеток для умной упаковки. В ближайшие несколько лет мы начнем видеть, как первые гаджеты на основе этой технологии выходят из лаборатории и попадают в руки потребителей и бизнес-пользователей.

Гибкий стек: Транзисторы на гибких подложках могут быть построены с использованием органических или неорганических полупроводниковых каналов. Эта схема иллюстрирует способ изготовления органического переключателя.Иллюстрация: Эмили Купер

В мире технологий, где доминируют пластик, стекло и кремний, может показаться неожиданным, что исследования в области бумажной электроники начались почти 50 лет назад. В конце 1960-х годов группа Питера Броуди из Westinghouse Electric Corp. экспериментировала с бумагой, среди прочих материалов, в качестве подложки для тонкопленочных транзисторов, которые могли быть встроены в переключающие массивы для управления отдельными пикселями жидкокристаллического дисплея.

Даже тогда, до появления множества инноваций в области покрытия и обработки, бумага обладала рядом привлекательных качеств. Главным из них было ее качество как электроизолятора. Удельное сопротивление бумаги обычно составляет около 10 миллиардов ом-сантиметров, что примерно в 100 000 раз больше удельного сопротивления кремния. Это означает, что теоретически материал должен хорошо работать в качестве подложки для электронных устройств. Он настолько хорошо сопротивляется току, что эффективно устраняет один из самых распространенных путей, по которым электроны пробираются через транзистор, когда он должен быть выключен.

Это не значит, что бумага – идеальный материал для создания транзисторов. Такие материалы, как стекло и традиционные полупроводники, легко изготовить с вариациями высоты поверхности в несколько нанометров или меньше. В бумаге же колебания высоты в лучшем случае составляют от долей микрометра до нескольких микрометров, в зависимости от размера волокон и того, насколько хорошо эти волокна сочетаются между собой, образуя плоский мат. Электронные устройства, созданные на такой неровной поверхности, скорее всего, будут сильно отличаться по производительности, а значительная часть не будет работать вообще.

Несмотря на это, около пяти лет назад, когда интерес к электронным ридерам и гибким отражающим дисплеям вырос, исследователи начали изучать бумагу в качестве электронной подложки. Потенциальная выгода была велика: если бы они смогли создать внутреннюю схему, необходимую для управления пикселями, они были бы на полпути к созданию сменного отражающего дисплея, который, естественно, будет выглядеть и ощущаться как бумага (и будет таким же тонким, легким и гибким).

С тех пор около полудюжины исследовательских групп добились значительных успехов в создании транзисторов на основе бумаги. Они использовали для токопроводящих каналов либо неорганические полупроводники, такие как кремний или оксид индия-галлия-цинка, либо органические материалы, такие как пентацен или P3HT. Значительная часть этого прогресса была достигнута благодаря поиску или разработке правильных видов бумаги. Лучшими являются те, которые имеют специальные полимерные покрытия, помогающие заполнить впадины на поверхности и запечатать бумагу для предотвращения химической деградации в процессе изготовления.

Бумага просто сгорит при температурах, используемых для выращивания и обработки кристаллических пленок, применяемых в традиционных полупроводниках, поэтому неорганические транзисторы на основе бумаги обычно изготавливаются из аморфных, некристаллических пленок. Они могут быть сформированы при более низкой температуре с использованием стандартных методов осаждения материала в вакууме, таких как испарение или напыление. Такая стратегия изготовления проста, но получаемые транзисторы имеют тенденцию использовать присущие бумаге текстурные различия, в результате чего напряжение, необходимое для протекания тока в них, может быть в десятки раз больше того, которое требуется для перемещения электронов через транзисторы, созданные на стекле или кремнии. Группа Джона Роджерса из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, например, совершенствует альтернативный подход, при котором схемы строятся на кремнии, а затем переносятся на бумагу (или другие подложки) после завершения работы. Этот метод, как правило, позволяет создавать схемы с лучшими характеристиками, хотя процесс изготовления значительно сложнее, а также дороже, так как для начала требуется кремниевая пластина.

Однако, когда дело доходит до массового производства, органические полупроводники могут оказаться самым лучшим способом. В отличие от неорганических материалов, органические соединения можно растворять в жидкости и наносить на бумагу с помощью рулонных принтеров, как и обычные чернила. Но этот подход все еще сталкивается с некоторыми препятствиями. Например, транзисторы, как правило, работают медленнее из-за присущих органическим полупроводникам свойств. Кроме того, органические переключатели, естественно, более чувствительны к условиям окружающей среды. Кислород и водяной пар, например, могут разрушить или даже открыть зазор между органическим материалом и металлическим электродом в результате химической деградации путем окисления или частичного растворения структуры. Обработка поверхности может помочь сделать бумагу, которая естественным образом впитывает влагу из воздуха, что может повлиять на устройство, построенное на ее основе, относительно непроницаемой. Но для того, чтобы органические схемы хорошо работали в течение длительного времени в относительно влажной среде, все еще требуется исправление.

Фото: Дук-Ёнг Ким/Эндрю Дж. Стекл/Университет Цинциннати

Бумага может быть использована для изготовления дисплеев, которые либо отражают входящий свет, либо излучают свой собственный. Один из способов создания отражающего дисплея – изменение поверхностного натяжения жидких пикселей.

Тонкопленочные схемы, созданные на бумаге, слишком медленные, чтобы их можно было использовать для вычислений общего назначения, но они являются привлекательным средством для управления и взаимодействия с “внешними” устройствами, такими как датчики, дисплеи и устройства для сбора энергии.

Создание таких устройств на бумаге может быть не менее сложной задачей, чем создание электроники внутреннего пользования. Однако в этой области достигнут значительный прогресс, особенно в сфере относительно недорогих и маломощных отражающих дисплеев. Одним из перспективных подходов является электрохромный дисплей, в котором используются пиксели из проводящего полимера. Если к такому пикселю приложить достаточное напряжение, электроны будут сбиты, и оптические свойства полимера изменятся, превратив его, скажем, из темно-синего в прозрачный. Этот подход, впервые примененный группой Магнуса Берггрена из Университета Линчепинга в Швеции, имеет много преимуществ. Например, для его работы требуется всего несколько вольт, и конструктивно он довольно прост. Но есть и несколько недостатков. Цветовая палитра ограничена, а скорость переключения довольно медленная. На полное преобразование пикселей может уходить от долей секунды до нескольких секунд, что делает дисплей непригодным для полноэкранного видео.

В Университете Цинциннати моя группа работает над адаптацией альтернативного подхода к дисплеям, называемого электроветрированием, который традиционно используется при работе со стеклом. Электроветривание работает путем заключения жидкостей между двумя поверхностями и последующего изменения их поверхностного натяжения с помощью приложенного напряжения. Изменение поверхностного натяжения заставляет цветную жидкость либо растекаться и отражать свет, либо сворачиваться и пропускать свет. Бумага вряд ли подходит для этой техники. В дисплеях с электродвижением обычно используются такие жидкости, как вода и масло, которые легко впитываются бумагой. Пиксели также должны быть созданы на очень гладкой, похожей на стекло поверхности, чтобы обеспечить надежность и быстрый отклик. При шероховатой поверхности очень трудно гарантировать, что жидкости будут двигаться туда, куда они должны, каждый раз.

Сначала мы попробовали бумагу с восковым покрытием, которую можно найти в кухонном шкафу, стандартную коммерческую бумагу с “гладкой поверхностью”, а также полупрозрачную бумагу под названием глассин. Хотя поверхность всех этих видов бумаги не поддается воздействию воды, в конечном итоге они все же впитывали жидкость. Затем к нам обратилась бостонская компания Sappi Fine Paper North America, которая создала бумагу с полимерным покрытием со средней шероховатостью поверхности в пару нанометров, что чуть выше, чем у стекла. Казалось, это то, что нужно. С помощью этого материала мы смогли создать надежные пиксели с временем переключения всего 10 миллисекунд, что почти подходит для видео. Сейчас мы работаем над созданием дисплеев на бумажной основе с использованием электросварки. Мы считаем, что этот подход может стать идеальным для “умных” этикеток на упаковках, которые, например, могут показывать видео о том, как использовать продукт, или для дисплеев, содержащих жизненно важную информацию для солдат в полевых условиях, которые могут быть быстро уничтожены в случае необходимости.

Как для дисплеев, так и для встроенной электроники изготовление все еще остается проблемой. Самый быстрый и дешевый способ создания бумажной электроники – это использование рулонного принтера. Но современное разрешение этих машин в настоящее время составляет около 10 микрометров. Таким образом, размеры элементов гибкой электроники, изготовленной с помощью этих машин, будут примерно такими же, как у кремниевых чипов в 1971 году, когда микропроцессоры имели около 2000 транзисторов. Улучшение этого разрешения без снижения скорости печати потребует многих лет и значительных инвестиций.

Тем не менее, размер – это еще не все. Дисплеи, особенно если они могут быть изготовлены экономичным способом, могут быть вполне читаемыми и привлекательными, даже если они построены из компонентов, которые намного больше, чем те, которые необходимы для передовых интегральных схем. (В конце концов, современные планшеты и электронные читалки имеют размер пикселя около 100 мкм, что примерно в 10 000 раз больше, чем минимальные размеры элементов, необходимые для создания современных чипов памяти). Некоторым компонентам схем для нормального функционирования требуются более крупные элементы. Радиочастотные идентификационные метки, например, нуждаются в относительно больших антеннах, чтобы иметь возможность принимать и передавать электромагнитные волны с длиной радиоволны. Даже самые маленькие RFID-чипы, о которых сообщалось на сегодняшний день, имеют размер около 50 мкм по стороне. А высоковольтная силовая электроника, как правило, работает лучше, когда ее делают больше, потому что распределение нагрузки на большую площадь снижает вероятность электрического пробоя. В этой области бумага уже используется в течение многих лет в качестве изолятора в трансформаторах.

Изображение: Сюй Ли/Вей Шен/Университет Монаша

Канализация жидкостей: Эти базовые микрофлюидические датчики построены на фильтровальной бумаге. Прямые каналы ведут к круглым сенсорным областям, которые становятся красными в присутствии диоксида азота.

Те из нас, кто создает электронные устройства и дисплеи на основе бумаги, в определенной степени работают против присущих бумаге свойств. Но есть одна потенциальная область применения, где бумага явно подходит: микрофлюидика.

Микрофлюидические устройства работают путем переноса жидкостей из одной точки в другую. В области биомедицинских технологий они особенно полезны, поскольку позволяют проводить такие тесты, как анализ ДНК или определение токсинов, в небольших объемах жидкости, что сокращает расходы на дорогостоящие химикаты и реагенты и значительно уменьшает количество биологических жидкостей, которые необходимо забирать у пациентов. На сегодняшний день большинство микрофлюидных устройств представляют собой высокоточные приборы, использующие пластиковые подающие трубки и насосы с внешним питанием, которые могут занимать достаточно много места на прилавке. При правильном подходе бумагу можно использовать для проведения аналогичных тестов без этих внешних аксессуаров. Узкие каналы между волокнами в бумаге отлично справляются с всасыванием воды и других жидкостей автоматически за счет капиллярного действия.

Некоторые компании уже воспользовались этой способностью впитывать жидкость для создания одноразовых тестов на беременность и уровень сахара в крови. Но в последнее время акцент сместился в сторону подхода “снизу вверх”. Вместо того чтобы создавать недорогие версии конкретных тестов, исследователи теперь пытаются разработать общий класс микрофлюидных систем на бумажной основе, которые затем можно будет адаптировать для создания множества различных тестов, например, для контроля функции печени или диагностики туберкулеза. Если все будет сделано правильно, эти тесты могут быть компактными, автономными и дешевыми. Их также можно будет использовать без особой подготовки, дома или в полевых условиях, и легко утилизировать путем сжигания после одного использования.

Двумя пионерами в этой области являются Джордж Уайтсайдс из Гарвардского университета и Пол Ягер из Университета Вашингтона. Оба они получили раннюю и постоянную поддержку Фонда Билла и Мелинды Гейтс на разработку простых и очень дешевых диагностических устройств, не требующих специальных навыков или оборудования. Их группы разработали несколько простых и элегантных подходов к формированию бумажных микрофлюидных устройств.

Один из подходов основан на процессе нанесения рисунка на основе воска, в котором используется струйный принтер для нанесения элементов на бумагу с помощью “чернил” на основе воска. После печати бумага нагревается, чтобы воск проник по всей толщине материала. Поскольку пропитанные воском области являются гидрофобными, поток жидкости ограничивается областями без воска. В итоге жидкость, которую необходимо протестировать, попадает в сухие “отсеки”, содержащие химические реагенты или биомаркеры. При наличии нужной комбинации соединений происходит химическая реакция, приводящая к изменению цвета, который затем считывается пользователем.

Трехмерные версии этих устройств были разработаны с целью создания компактных упаковок, которые могут проводить несколько тестов в разных слоях на одном и том же образце, а также дублировать тесты, чтобы уменьшить вероятность ложного результата. Одна из последних инноваций принадлежит группе Ричарда Крукса из Техасского университета в Остине, которая нашла способ создания многослойных бумажных жидкостных устройств из одного листа бумаги. Подход группы, напоминающий оригами, начинается с создания двумерного гидрофобного рисунка, который формируется с помощью фоторезиста. После нескольких выборочных надрезов ножницами и некоторого складывания (вспомните строительство бумажной куклы), многослойный квадрат может быть собран без использования инструментов. В полученной сборке наложенные друг на друга отверстия позволяют жидкости проходить вверх через целых девять слоев.

Эти бумажные тесты уже породили побочные компании и некоммерческие организации и, вероятно, станут первой бумажной технологией, которая будет коммерциализирована. Я ожидаю, что со временем их можно будет дополнить коммуникационными схемами и некоторой логикой для создания удаленных датчиков. Но еще многое предстоит узнать о фактических затратах на производство этих анализов, а также о таких практических свойствах, как срок хранения, чувствительность и воспроизводимость результатов.

Фото: Патрик Гиллули/МТИ

Бумажная энергия: Гибкие, складные массивы солнечных элементов могут быть созданы на бумажной подложке методом осаждения из паровой фазы. Солнечная батарея, изображенная здесь, состоит из пяти слоев и использует органические фотоэлектрические материалы для преобразования света в электричество с эффективностью около 1 процента.

Дисплеи и микрофлюидические системы, которые я описал, – далеко не единственные области применения, которые сейчас изучаются. Например, моя группа и другие активно создают светоизлучающие устройства на бумаге для создания светящихся дисплеев. Другие исследуют новые способы создания гибких радиочастотных антенн, прикрепленных к криволинейным поверхностям, что повышает их эффективность. Конечно, независимо от того, что мы выберем, бумажная электроника всегда будет ограничена, если мы не найдем способ доставки энергии к устройствам таким же мобильным, тонким, легким и гибким способом, как и сама бумага. Мы бы хотели создавать батареи, конденсаторы или фотогальванические элементы непосредственно на той же бумаге, из которой сделаны устройства.

Один из потенциальных способов хранения энергии в бумаге – это использование преимуществ ее длинных и тонких целлюлозных волокон, которые обладают большой площадью поверхности, которую потенциально можно использовать для хранения заряда. Бумага может быть пропитана электролитом для создания вариации традиционной батареи. Или же ее можно покрыть неорганическим металлом или углеродом для накопления заряда. Работа в этом направлении продвинулась достаточно далеко, и ее коммерческим использованием занимаются такие компании, как Paper Battery Co. в Трое, штат Нью-Йорк, Power Paper в Израиле и Enfucell в Финляндии. Характеристики накопителей уже кажутся многообещающими: квадратный участок толщиной 1 миллиметр и размером 10 на 10 сантиметров может хранить несколько сотен миллиампер-часов при напряжении 1,5 вольта, что примерно на 10-20 процентов больше емкости обычной батарейки типа АА.

Когда все эти компоненты – питание, внутренняя электроника и внешние устройства – будут созданы, я считаю, что можно будет разработать полностью интегрированные, законченные системы на бумаге, которые смогут питать себя и общаться с внешним миром.

Но поиск способов такой интеграции будет представлять собой серьезную проблему. Идеальная бумажная подложка для внутренних схем может сильно отличаться от той, что требуется для создания, скажем, внешнего дисплея или соединения микрофлюидного устройства с логическими и коммуникационными схемами. Некоторые элементы, в частности, провода, используемые для соединения компонентов, особенно хрупки, и их придется тщательно конструировать, возможно, используя материалы и геометрию, отличные от тех, что используются в обычных жестких интегральных схемах.

Но подумайте о возможностях, если мы добьемся успеха. Мы сможем заполнить важный экономический пробел в технологическом спектре электрических устройств, между низкотехнологичной сферой ламп накаливания и электродвигателей и высокотехнологичным миром компьютерных чипов и плоских дисплеев. Хотя стоимость производства отдельного транзистора снижалась на протяжении десятилетий, общие постоянные затраты на материалы, фабрики и оборудование значительны и растут. Нам нужен принципиально новый подход, если мы хотим встряхнуть отрасль.

Бумага, вероятно, будет медленно появляться в электронике: Сначала она появится на рынках, где главным фактором является низкая стоимость, а не высокая производительность или малая площадь. На этом пути бумага столкнется с конкуренцией: Пластик стал более прочным и удобным для электроники, а стекло теперь можно сделать настолько тонким и гнущимся, что не исключено, что однажды его можно будет подавать в рулонные машины. Несмотря на это, бумага способна расширить сферу применения электроники в областях, о которых мы раньше даже не задумывались, предлагая потребителям гораздо более широкий выбор, когда речь идет о производительности, надежности и цене. На бумаге (если позволите каламбур) нет причин думать, что эта технология надолго останется в лаборатории.

Эта статья первоначально появилась в печати под названием “Микросхемы на целлюлозе”.

Об авторе

Эндрю Дж. Стекл – профессор электротехники в Университете Цинциннати. Член IEEE, он является членом IEEE еще со студенческих времен. После первых работ по изготовлению обычных, жестких полупроводников он стал приверженцем альтернативных материалов, таких как бумага. “Удивительно, что можно сделать, если объединить дешевые материалы и напряженное мышление”, – говорит он.

Source: spectrum.ieee.org