ACS Applied Materials & Interfaces
Дослідники з Лабораторії біоелектроніки та мікросхем Бінгемтонського університету розробили технологію виготовлення мікросхем на пергаментному папері.
Вони використовують стандартний вуглекислотний лазер для нанесення електронних схем безпосередньо на папір. Пергаментний папір має водовідштовхувальну властивість завдяки тонкому силіконовому покриттю.
Точна обробка паперу лазером дозволяє вибірково видаляти це покриття за відповідними схемами, оголюючи целюлозні волокна, що вбирають воду. Створені лазером крихітні канали заповнюються чорнилом на водній основі, формуючи резистори та конденсатори саме там, де це потрібно, а також міжз’єднання та аналогові схеми.
Дослідники лазером видаляють захисне покриття на пергаментному папері / Binghamton University
“Скрізь, де лазер торкається паперу, він стає сприйнятливим до наших функціональних чорнил. У решті місць силіконове покриття діє як природний ізолятор”, — пояснює керівник дослідження, професор Сокхеун Чой.
Нова робота — кульмінація лабораторних досліджень, які тривали понад 10 років. Сам Чой називає це “паперовою електронікою”. Він був одним з засновників цієї галузі. Від самого початку роботи у Бінгемтонському університеті науковець намагався відповісти на питання, чи може папір замінити кремній та пластик в одноразових електронних пристроях.
Все почалось зі створення біобатареї у 2015 році. Тоді команда під керівництвом Чоя створила 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 від слини, пристрої, що носяться для збирання енергії, які використовують піт, біобатарею у капсулах, призначену для роботи у 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 пов’язують все воєдино”, — розповідає Чой.
У 2024 році дослідники продемонстрували першу повністю інтегровану паперову друковану плату з регульованими резисторами, конденсаторами та транзисторами на одному листі хроматографічного паперу, використовуючи трафарети з воску для спрямування нанесення чорнил. Ця робота підтвердила потенціал концепції, однак виявила обмеження. Віск розмивався й розтікався під час нагрівання, обмежуючи розмір елементів десь близько 1 мм. Це не дозволяло зменшити мікросхеми, які за масштабами складали десятки сантиметрів. Без цього неможливо було зробити компактні щільно запаковані конструкції, які могли б отримати практичне використання.
Хочеш знати більше, ніж ChatGPT 5? Підписуйся на ITC.ua у TelegramПІДПИСАТИСЯ
Використання лазера обходить ці обмеження. Дослідники почали використовувати гідрофобний пергаментний папір замість гідрофільного хроматографічного. Лазер дозволяє вибірково створювати гідрофільні канали, зменшивши елементи мікросхем до 250 мкм завширшки з відстанню між ними усього 300 мкм.
“За використання лазера малюнок визначається розміром лазерної точки і залишається там, де ви його нанесли. Немає розтікання, немає розмиття, немає невизначеності”, – підкреслює Чой.
Команда довела універсальність платформи, виготовивши на папері повний набір електронних компонентів, включно з резисторами, 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.
СпецпроєктиЯк перетворити заощадження на дохід: досвід покупки корпоративних облігацій за кілька хвилин”Kатка24″ – картка для геймерів від “ПриватБанку”, Visa та NAVI. З нею можна отримати кешбеки, знижки та не тільки
Використане чорнило виключно на водній основі й не містить токсичних металів або органічних розчинників. Самі схеми біорозкладані. Вони розкладаються у ґрунті протягом кількох тижнів. Вони також можуть бути спалені за кілька секунд. У разі тривалішого застосування тонкий шар силікону захищає пристрої від вологи та механічних пошкоджень, не впливаючи на електричні характеристики.
За словами Чоя, практичне застосування може бути втілене у вигляді пов’язок, які моніторять рани на предмет потрапляння інфекції, а потім біорозкладаються після утилізації. Це можуть бути етикетки на товарах, що відстежують температуру та вологу протягом усього ланцюга постачання. Загалом ця технологія може отримати безліч різних застосувань.
Раніше ми писали, що вчені навчили 3D-принтер друкувати мікрохвилями на кістках та листі рослин. У США створили першу друковану та перероблювану електроніку менше ніж 10 мкм
Результати дослідження опубліковані в журналі ACS Applied Materials & Interfaces
