"Бумажная" электроника - а надо ли?
Написано по мотивам: "Бумажная электроника может проложить путь к новому поколению дешевых, гибких устройств".
Photo: Adam Zocco/Andrew J. Steckl/University of Cincinnati
Поговорим о недорогих электронных устройствах которые уже есть или будут: да, можно делаеть электронные визитки, всевозможные датчики для медицинских, рекламных, торговых и для множества других приложений которые потребитель сегодня не можем себе и представить, но..
стоимость этих устройств всё еще очень высока. Тем не менее, в последнее время, сделана масса достижений которые готовят почву для совершенно нового типа дешевых, гибких, доступных, и возможно даже годных для повторного использования электронных устройств. И часть исследований в этом направлении связано с... бумагой.
На первый взгляд бумага не походит для гибкой электроники: этот материал не такой прочный и гладкий как новые, гибкие формы стекла или пластика. И на микроскопическом уровне это - просто путаница волокон целлюлозы, скажем прямо - не тот вид структуры который идеально подходит для микроэлектроники.
Но и у бумаги есть "большие плюсы". Она легкая, гибкая, разлагается микроорганизмами, и изготавливается из возобновляемого ресурса. Она также довольно легко приспосабливается к новым требованиям: она может быть сделана мягкой и жесткой, гидрофобной, пористой или водонепроницаемой, непрозрачной или почти прозрачной, тонкой или толстой, грубой или гладкой как стекло.
У "бумажной" электроники есть потенциал: это может быть чрезвычайно дешево. Сам материал недорог; обычные варианты стоят приблизительно десять раз дешевле пластика. Даже специальная бумага, сделаная на заказ для электроники, стоит в сто раз дешевле кремниевой пластины той же площади. Бумажный пресс может напечатать микроскопические объекты на бумаге со скоростью до 30 метров в секунду!
Бумага уже используется как подложка для датчиков, биодетекторов, антенн RF, аккумуляторов, как монтажные платы и упаковочные стикеры. Скоро мы будем наблюдать как первые устройства, основанные на этой технологии, начнут переход из лабораторий в руки потребителей.
Сегодня когда многие наслышаны об использовани пластмасс, стекла и кремния в микроэлектронике, мализвестно, что исследование "бумажной электроники" уже были 50 лет назад. В конце 1960-х, группа Питера Броуди из Westinghouse Electric Corp. экспериментировала с бумагой, в качестве подложки для тонкопленочных транзисторов.
Даже тогда, когда небыло такого выбора в технологиях обработки подложек, у бумаги было много привлекательных свойств. В первую очередь это изоляционные свойства бумаги. Бумага обычно имеет удельное сопротивление приблизительно в 10 миллиардов Омм-сантиметров, что приблизительно в 100 000 раз выше удельного сопротивления кремния. Это означает, что материал, в теории, может быть использован для электронных устройств. Сопротивление бумаги так высоко, что это эффективно устраняет одну из основных проблем тонкопленочных транзисторов на кремнии: довольно высокие токи утечки в закрытом состоянии транзистора.
Нельзя сказать, что бумага - идеальный материал, для тонкопленочной электроники. Материалы такие как стекло и кремний легко производятся с "рельефом" не выше нескольких нанометров или даже меньше. Но шероховатость в доли микрометра или в несколько микрометров, в зависимости от размера волокна, обычное дело для довольно гладкой бумаги. Электронника на такой подложке будет работать значительно хуже или не будет работать вообще.
Несмотря на это, приблизительно пять лет назад, благодаря росту продаж устройств с портативным монитором (планшеты, навигации, ридеры), интерес к электроннике на гибких подложках взлетел. Ставка в этой игре высока: тот кто сможет создать управление пикселами на бумажной подложке сможет получить дисплей который выглядит как текст на бумаге, а сам дисплей легок как бумага.
(LG весной 2012 года представила "E-бумагу". Шестидюймовый экран котороый может быть согнут до 40 ° имеет разрешение 1024 x 768 пиксел и толщину всего 0,7 мм. Стеклянные дисплеи с похожими параметрами толще примерно на одну треть и вдва раза тяжелее. Согласно LG они роняли прибор несколько раз с высоты 1,5 м и экран "выжил".)
За последние годы приблизительно десяток исследовательских групп сделали значительный прогресс в изготовлении "бумажных" транзисторов. Они использовали или неорганические полупроводники как кремний или оксид индия цинка и галлия для проводящих каналов в транзисторах или органических материалов как пентацен или P3HT. В основном прогресс достигнут теми, кто приложил услиия в области улучшения качества бумаги. Лучшие результаты получены теми, кто покрывает бумагу полимером, что снизить шероховатость и улучшить химическую стойкость бумаги.
Бумага просто бы сгорела при температурах, используемых, при производстве тонкопленочной электроники на основе материалов с кристаллической структурой, таким образом, неорганические пленки на бумаге, как правило, делаются из аморфного материала. Такие пленки обычно получают при более низких температуратурах, используя методы осаждения в вакууме, такие как испарение или распыление. Получаемые транзисторы повторяют рельеф бумаги, и, в результате, для того, чтобы "открыть" транзистор напряжение на затворе должно быть на порядок выше, чем если бы транзистор на стекле или кремнии. Группа Джона Роджерса в Университете Иллинойса, например, использует другой подход, в котором тонкопленочные приборы создаются на кремниевой подложке и затем переносятся на бумагу (или другие подложки). Этот метод позволяет получать высококачественные приборы, но производство слишком дорого.
Когда дело доходит до массового производства, органические полупроводники имеют фору. В отличие от неорганических материалов, органические соединения могут быть растворены в жидкости и перенесены на бумагу используя обычные струйные принтеры так же, как обычные чернила. Но и это не просто. На основе органических полупроводников транзисторы медленнее и органические "выключатели" более чувствительны к условиям окружающей среды. Кислород и вода, например, могут значительно ухудшить из-за химической деградации: окисление или даже разложения структуры. Можно конечно капсулировать такую электронику, но не будем забывать, что бумага - отлично впитывает влагу от воздуха, которая может диффундировать и проникать в устройство. Поэтому герметизация такой электроники на бумаге имеет очень важное значение.
Photo: Adam Zocco/Andrew J. Steckl/University of Cincinnati
Поговорим о недорогих электронных устройствах которые уже есть или будут: да, можно делаеть электронные визитки, всевозможные датчики для медицинских, рекламных, торговых и для множества других приложений которые потребитель сегодня не можем себе и представить, но..
стоимость этих устройств всё еще очень высока. Тем не менее, в последнее время, сделана масса достижений которые готовят почву для совершенно нового типа дешевых, гибких, доступных, и возможно даже годных для повторного использования электронных устройств. И часть исследований в этом направлении связано с... бумагой.
На первый взгляд бумага не походит для гибкой электроники: этот материал не такой прочный и гладкий как новые, гибкие формы стекла или пластика. И на микроскопическом уровне это - просто путаница волокон целлюлозы, скажем прямо - не тот вид структуры который идеально подходит для микроэлектроники.
Но и у бумаги есть "большие плюсы". Она легкая, гибкая, разлагается микроорганизмами, и изготавливается из возобновляемого ресурса. Она также довольно легко приспосабливается к новым требованиям: она может быть сделана мягкой и жесткой, гидрофобной, пористой или водонепроницаемой, непрозрачной или почти прозрачной, тонкой или толстой, грубой или гладкой как стекло.
У "бумажной" электроники есть потенциал: это может быть чрезвычайно дешево. Сам материал недорог; обычные варианты стоят приблизительно десять раз дешевле пластика. Даже специальная бумага, сделаная на заказ для электроники, стоит в сто раз дешевле кремниевой пластины той же площади. Бумажный пресс может напечатать микроскопические объекты на бумаге со скоростью до 30 метров в секунду!
Бумага уже используется как подложка для датчиков, биодетекторов, антенн RF, аккумуляторов, как монтажные платы и упаковочные стикеры. Скоро мы будем наблюдать как первые устройства, основанные на этой технологии, начнут переход из лабораторий в руки потребителей.
Сегодня когда многие наслышаны об использовани пластмасс, стекла и кремния в микроэлектронике, мализвестно, что исследование "бумажной электроники" уже были 50 лет назад. В конце 1960-х, группа Питера Броуди из Westinghouse Electric Corp. экспериментировала с бумагой, в качестве подложки для тонкопленочных транзисторов.
Даже тогда, когда небыло такого выбора в технологиях обработки подложек, у бумаги было много привлекательных свойств. В первую очередь это изоляционные свойства бумаги. Бумага обычно имеет удельное сопротивление приблизительно в 10 миллиардов Омм-сантиметров, что приблизительно в 100 000 раз выше удельного сопротивления кремния. Это означает, что материал, в теории, может быть использован для электронных устройств. Сопротивление бумаги так высоко, что это эффективно устраняет одну из основных проблем тонкопленочных транзисторов на кремнии: довольно высокие токи утечки в закрытом состоянии транзистора.
Нельзя сказать, что бумага - идеальный материал, для тонкопленочной электроники. Материалы такие как стекло и кремний легко производятся с "рельефом" не выше нескольких нанометров или даже меньше. Но шероховатость в доли микрометра или в несколько микрометров, в зависимости от размера волокна, обычное дело для довольно гладкой бумаги. Электронника на такой подложке будет работать значительно хуже или не будет работать вообще.
Несмотря на это, приблизительно пять лет назад, благодаря росту продаж устройств с портативным монитором (планшеты, навигации, ридеры), интерес к электроннике на гибких подложках взлетел. Ставка в этой игре высока: тот кто сможет создать управление пикселами на бумажной подложке сможет получить дисплей который выглядит как текст на бумаге, а сам дисплей легок как бумага.
(LG весной 2012 года представила "E-бумагу". Шестидюймовый экран котороый может быть согнут до 40 ° имеет разрешение 1024 x 768 пиксел и толщину всего 0,7 мм. Стеклянные дисплеи с похожими параметрами толще примерно на одну треть и вдва раза тяжелее. Согласно LG они роняли прибор несколько раз с высоты 1,5 м и экран "выжил".)
За последние годы приблизительно десяток исследовательских групп сделали значительный прогресс в изготовлении "бумажных" транзисторов. Они использовали или неорганические полупроводники как кремний или оксид индия цинка и галлия для проводящих каналов в транзисторах или органических материалов как пентацен или P3HT. В основном прогресс достигнут теми, кто приложил услиия в области улучшения качества бумаги. Лучшие результаты получены теми, кто покрывает бумагу полимером, что снизить шероховатость и улучшить химическую стойкость бумаги.
Бумага просто бы сгорела при температурах, используемых, при производстве тонкопленочной электроники на основе материалов с кристаллической структурой, таким образом, неорганические пленки на бумаге, как правило, делаются из аморфного материала. Такие пленки обычно получают при более низких температуратурах, используя методы осаждения в вакууме, такие как испарение или распыление. Получаемые транзисторы повторяют рельеф бумаги, и, в результате, для того, чтобы "открыть" транзистор напряжение на затворе должно быть на порядок выше, чем если бы транзистор на стекле или кремнии. Группа Джона Роджерса в Университете Иллинойса, например, использует другой подход, в котором тонкопленочные приборы создаются на кремниевой подложке и затем переносятся на бумагу (или другие подложки). Этот метод позволяет получать высококачественные приборы, но производство слишком дорого.
Когда дело доходит до массового производства, органические полупроводники имеют фору. В отличие от неорганических материалов, органические соединения могут быть растворены в жидкости и перенесены на бумагу используя обычные струйные принтеры так же, как обычные чернила. Но и это не просто. На основе органических полупроводников транзисторы медленнее и органические "выключатели" более чувствительны к условиям окружающей среды. Кислород и вода, например, могут значительно ухудшить из-за химической деградации: окисление или даже разложения структуры. Можно конечно капсулировать такую электронику, но не будем забывать, что бумага - отлично впитывает влагу от воздуха, которая может диффундировать и проникать в устройство. Поэтому герметизация такой электроники на бумаге имеет очень важное значение.