Паперова електроніка: науковці створюють мікросхеми на папері за допомогою лазера

ACS Applied Materials & Interfaces

Науковці з Лабораторії біоелектроніки та мікросхем Бінгемтонського університету створили метод виготовлення мікросхем на пергаментному папері.

Вони застосовують звичайний вуглекислотний лазер для нанесення електронних схем безпосередньо на папір. Пергаментний папір має водовідштовхувальні властивості завдяки тонкому силіконовому покриттю.

Точна обробка паперу лазером дозволяє вибірково видаляти це покриття за заданими схемами, оголюючи целюлозні волокна, які вбирають воду. Лазером створені мікроскопічні канали заповнюються чорнилом на водній основі, формуючи резистори та конденсатори саме в тих місцях, де це необхідно, а також міжз’єднання та аналогові схеми.

Дослідники лазером видаляють захисне покриття на пергаментному папері / Binghamton University

“Скрізь, де лазер контактує з папером, він стає чутливим до наших функціональних чорнил. В інших місцях силіконове покриття виконує роль природного ізолятора”, — зазначає керівник дослідження, професор Сокхеун Чой.

Ця нова робота є результатом лабораторних досліджень, які тривали понад 10 років. Сам Чой називає це “паперовою електронікою”. Він був одним із засновників цієї сфери. З самого початку своєї роботи в Бінгемтонському університеті науковець намагався з’ясувати, чи може папір замінити кремній та пластик в одноразових електронних пристроях.

Все почалося зі створення біобатареї у 2015 році. Тоді команда під керівництвом Чоя виготовила першу паперову батарею — складаний пристрій розміром з коробку для сірників. Ця батарея генерувала електрику з бактерій. Згодом дослідники створили батарею у формі сюрікена, біобатареї, що активуються слиною, пристрої, що носяться для збору енергії, які використовують піт, а також біобатарею у капсулах, призначену для роботи в кишківнику людини. Дослідники також розробили паперові біосенсори для експрес-діагностики, виявлення чутливості до антимікробних препаратів та моніторингу навколишнього середовища.

“Моя довгострокова мета завжди полягала у створенні на папері повноцінної, автономної, одноразової електронної системи. Ми почали з джерела живлення — біобатареї. Потім перейшли до датчиків. Відсутньою ланкою була сама схема: резистори, конденсатори та міжз’єднання, які об’єднують все воєдино”, — розповідає Чой.

У 2024 році дослідники продемонстрували першу повністю інтегровану паперову друковану плату з регульованими резисторами, конденсаторами та транзисторами на одному аркуші хроматографічного паперу, використовуючи трафарети з воску для спрямування нанесення чорнил. Ця робота підтвердила потенціал концепції, але виявила певні обмеження. Віск розмивався й розтікався під час нагрівання, що обмежувало розмір елементів до приблизно 1 мм. Це ускладнювало зменшення мікросхем, які за масштабами складали десятки сантиметрів. Без цього неможливо було створити компактні щільно запаковані конструкції, які могли б знайти практичне застосування.

Використання лазера дозволяє обійти ці обмеження. Дослідники почали використовувати гідрофобний пергаментний папір замість гідрофільного хроматографічного. Лазер дозволяє вибірково створювати гідрофільні канали, зменшуючи елементи мікросхем до 250 мкм завширшки з відстанню між ними всього 300 мкм.

“При використанні лазера малюнок визначається розміром лазерної точки і залишається там, де ви його нанесли. Немає розтікання, немає розмиття, немає невизначеності”, — підкреслює Чой.

Команда продемонструвала універсальність платформи, виготовивши на папері повний набір електронних компонентів, включаючи резистори, опір яких можна регулювати в діапазоні трьох порядків, просто змінюючи склад чорнила. Міжз’єднання з питомим опором близько 1 Ом на 6,4 см². Конденсатори з можливістю регулювання місткості від мікрофарадів до міліфарадів. Повнофункціональні RC-фільтри нижніх та верхніх частот.

СпецпроєктиНовий конкурс авторів ITC.ua: напиши допис та виграй крутий електросамокат і техніку від ProoveЯк перетворити заощадження на дохід: досвід покупки корпоративних облігацій за кілька хвилин

Використане чорнило виключно на водній основі й не містить токсичних металів або органічних розчинників. Самі схеми біорозкладані. Вони розкладаються у ґрунті протягом кількох тижнів. Їх також можна спалити за кілька секунд. У разі тривалішого використання тонкий шар силікону захищає пристрої від вологи та механічних пошкоджень, не впливаючи на електричні характеристики. 

За словами Чоя, практичне застосування може бути реалізоване у вигляді пов’язок, які контролюють рани на предмет інфекцій, а потім біорозкладаються після утилізації. Це можуть бути етикетки на товарах, що відстежують температуру та вологість протягом усього ланцюга постачання. Загалом ця технологія має потенціал для багатьох різних застосувань.

Раніше ми повідомляли, що вчені навчили 3D-принтер друкувати мікрохвилями на кістках та листі рослин. У США створили першу друковану та перероблювану електроніку менше ніж 10 мкм

Надрукуй обід: 3D-принтер виготовив 3 страви з 14 інгредієнтів

Результати дослідження опубліковані в журналі ACS Applied Materials & Interfaces 

Джерело: TechXplore