очередное эммигрантское г.) (solar_front) wrote in engineering_ru,
очередное эммигрантское г.)
solar_front
engineering_ru

Бумажная электроника.

Оригинал взят у solar_front в Бумажная электроника. Это уже существует. (1)
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: Duk-Young Kim/Andrew J. Steckl/University of Cincinnati

Бумага может использоваться в дисплеях отражающих или испускающих свет. Один из способов изменить преломление света состоит в том, чтобы изменить поверхностное натяжение жидкостей.

Тонкопленочная электроника на бумаге, скорее всего никогда не будет использоваться для процессоров - слишком медлено работают такие схемы, но они - привлекательны для датчиков, дисплеев и другой, недорогой функциональной электроники.

Уже есть прогресс в области экономных светоотражающих дисплеев. Например электрохромные дисплеи, которые используют пиксели, полученные из электроповодящих полимеров. Если приложить напряжение к такому пикселю-полимеру то оптические свойства полимера изменятся - его цвет изменится, скажем, от темно-синего к прозрачному. У этого метода, который впервые был введен группой Magnus Berggren’s в университете Linköping (Швеция), есть много преимуществ. Для работы необходим низковольтный источник напряжения и структура прибора довольно проста. Но есть несколько недостатков: цветовая палитра ограничена, и переключающаяся скорость довольно медленная. Пикселы настолько долго переключатся, что этого не достаточно для воспроизведения видеофильма кинематографического качества.

Другой подход тестировался в университете Цинциннати - там работали над методом, названным - электросмачиванием (electrowetting), который неплохо показал себя на стеклянных подложказх. Electrowetting работает, когда жидкости ограничены между двумя поверхностями - изменяют поверхностное натяжение жидкостей, прикладывая электрическое напряжение. Изменение поверхностного натяжения меняет оптические свойства такой жидкости: пропуская или отражая свет. Бумага вряд ли пригодна для этого метода: слишком высокая шероховатость. Тем не менее, в случае специальной, очень гладкой бумаги покрытой пластиком был создан дисплей на основе данной технологии с временем отклика пиксела в 10 мс - это достаточно для не слишком качественного видео. Разработчики надеются использовать это в "умных этикетках" на товарах, которые могли бы, например, показать видео о том, как продукт должен использоваться, или для дисплеев — содержащий важную информацию для солдат на поле боя: такой дисплей может быть быстро уничтожен при необходимости.


Photo: Jin-Young Kim/Sungkyungkwan University
OLED подсветка на бумаге.

Производство "бумажной" электроники это основная проблема. Самый быстрый и самый дешевый способ производить "бумажную" электронику это использование принтера работающего с рулонами бумаги. Но современное разрешение этих машин в настоящее время - приблизительно 10 микрометров. Таким образом, у такой электроники размеры элемента сравнимы с размерами элементов в начале 70х, когда у микропроцессоров было приблизительно 2000 транзисторов. Значительное улучшение разрешения, не жертвуя скоростью печати займет годы и значительные инвестиции.

Продолжение следует.

Tags: вакуум, материалы, технологии, электроника, энергоэффективность
Subscribe
promo engineering_ru september 25, 2014 18:53 110
Buy for 200 tokens
Есть в теплоэнергетике и теплоснабжении такая вещь - ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК. Используется в котельных, тепловых пунктах для передачи тепла. Проще выражаясь для отопления и горячего водоснабжения. Если еще проще, то вода в Вашей системе отопления - вода из ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА, вода в…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments