Бумажная электроника: ученые с помощью лазера печатают микросхемы на бумаге
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2Fc2587b5c2c6b87640bbc42d95ecd5c21.jpg)
Исследователи из Лаборатории биоэлектроники и микросхем Бингемтонского университета разработали технологию изготовления микросхем на пергаментной бумаге.
Они используют стандартный углекислотный лазер для нанесения электронных схем непосредственно на бумагу. Пергаментная бумага обладает водоотталкивающим свойством благодаря тонкому силиконовому покрытию.
Точная обработка бумаги лазером позволяет выборочно удалять это покрытие по соответствующим схемам, обнажая целлюлозные волокна, впитывающие воду. Созданные лазером крошечные каналы заполняются чернилами на водной основе, формируя резисторы и конденсаторы именно там, где это нужно, а также межсоединения и аналоговые схемы.
«Везде, где лазер касается бумаги, он становится восприимчивым к нашим функциональным чернилам. В остальных местах силиконовое покрытие действует как естественный изолятор», — объясняет руководитель исследования, профессор Сокхеун Чой.
Новая работа — кульминация лабораторных исследований, длившихся более 10 лет. Сам Чой называет это «бумажной электроникой». Он был одним из основателей этой отрасли. С самого начала работы в Бингемтонском университете ученый пытался ответить на вопрос, может ли бумага заменить кремний и пластик в одноразовых электронных устройствах.
Все началось с создания биобатареи в 2015 году. Тогда команда под руководством Чоя создала первую бумажную батарею — складное устройство размером со спичечный коробок. Эта батарея генерировала электричество из бактерий. Впоследствии исследователи создали батарею в форме сюрикенов, биобатареи, активируемые от слюны, носимые устройства для сбора энергии, которые используют пот, биобатарею в капсулах, предназначенную для работы в кишечнике человека. Исследователи также разработали бумажные биосенсоры для экспресс-диагностики, выявления чувствительности к антимикробным препаратам и мониторинга окружающей среды.
«Моя долгосрочная цель всегда заключалась в создании на бумаге полноценной, автономной, одноразовой электронной системы. Мы начали с источника питания — биобатареи. Затем перешли к датчикам. Недостающим звеном была сама схема: резисторы, конденсаторы и межсоединения, которые связывают все воедино», — рассказывает Чой.
В 2024 году исследователи продемонстрировали первую полностью интегрированную бумажную печатную плату с регулируемыми резисторами, конденсаторами и транзисторами на одном листе хроматографической бумаги, используя трафареты из воска для направления нанесения чернил. Эта работа подтвердила потенциал концепции, однако выявила ограничения. Воск размывался и растекался при нагревании, ограничивая размер элементов где-то около 1 мм. Это не позволяло уменьшить микросхемы, которые по масштабам составляли десятки сантиметров. Без этого невозможно было сделать компактные плотно упакованные конструкции, которые могли бы получить практическое использование.
Использование лазера обходит эти ограничения. Исследователи начали использовать гидрофобную пергаментную бумагу вместо гидрофильной хроматографической. Лазер позволяет избирательно создавать гидрофильные каналы, уменьшив элементы микросхем до 250 мкм в ширину с расстоянием между ними всего 300 мкм.
«При использовании лазера рисунок определяется размером лазерной точки и остается там, где вы его нанесли. Нет растекания, нет размытия, нет неопределенности», — подчеркивает Чой.
Команда доказала универсальность платформы, изготовив на бумаге полный набор электронных компонентов, включая резисторы, сопротивление которых можно регулировать в диапазоне трех порядков, просто меняя состав чернил. Межсоединения с удельным сопротивлением около 1 Ом на 6,4 см². Конденсаторы с возможностью регулировки емкости от микрофарад до миллифарад. Полнофункциональные RC-фильтры нижних и верхних частот.
Используемые чернила исключительно на водной основе и не содержат токсичных металлов или органических растворителей. Сами схемы биоразлагаемые. Они разлагаются в почве в течение нескольких недель. Они также могут быть сожжены за несколько секунд. При более длительном применении тонкий слой силикона защищает устройства от влаги и механических повреждений, не влияя на электрические характеристики.
По словам Чоя, практическое применение может быть воплощено в виде повязок, которые мониторят раны на предмет попадания инфекции, а затем биоразлагаются после утилизации. Это могут быть этикетки на товарах, отслеживающие температуру и влагу на протяжении всей цепи поставок. В целом эта технология может получить множество различных применений.
Ранее мы писали, что ученые научили 3D-принтер печатать микроволнами на костях и листьях растений. В США создали первую печатную и перерабатываемую электронику менее 10 мкм.
Результаты исследования опубликованные в журнале ACS Applied Materials & Interfaces
Источник: TechXplore