你未來用的電子設備,可能是用噴墨打印機打出來的

你未來用的電子設備,可能是用噴墨打印機打出來的

2016-12-08 23:20:48  Science
本文作者:Gabriel Popkin

發表時間:2016-12-08 23:20:48作者:Gabriel Popkin來源:Science字體大小:A+  A-

 用有機材料制成的柔性電子設備一直讓人充滿期待,如果能用打印的方法廉價快速的制造那就更理想了。 

你未來用的電子設備,可能是用噴墨打印機打出來的 

想象一下,你未來的智能手表和心臟監測裝置將會由噴墨打印機打印而成。最近,研究者在打印廉價可靠的晶體管陣列上已邁出了新的一步,并使用它們完成了一些基礎運算。晶體管是現代電子技術的關鍵元件,這項研究也許某天會帶領我們進入一個有機柔性消費電子時代。

 

不同于傳統的硅,新的電路將由有機物,也就是碳基化合物制成。盡管此前已經有團隊結合噴墨打印機和其他沉積方法,打印并組裝出有機電子元件,但這項新的研究整個制造過程都只使用了噴墨打印機。“我不知道還有其他超過兩層的設備是只靠噴墨打印機完成的,”得克薩斯奧斯汀大學分校電子工程師Ananth Dodabalapur表示,“這是一次很好的示范。”他本人并未參與這個研究。

 

新的商業電子設備一定是要小巧耐用,適合大批量生產。現如今市場上幾乎所有批量生產的設備都是基于用硅制成的微芯片,制造商在其上蝕刻出越來越小的晶體管,而晶體管實際上是用于形成計算機邏輯電路的電子開關。

 

但是硅芯片存在一些缺點。硅芯片很硬,因而很難制成柔性的硅基電路。很多人認為由有機材料制成柔性可穿戴的電子元件也許會開發出電子元件的新應用。例如柔性的電子元件能收集如動脈硬化程度這樣的關鍵醫療數據。這能幫助預測心臟病發作,也可以通過監測腦電波用于預警可能發作的癲癇。

 

為了讓這種電子元件兌現其潛力,來自韓國浦項科技大學的電子工程師Sungjune Jung和他的同事開始研究是否可以簡單地打印出有機晶體管的工作網絡。為了塞入更多的晶體管,他們設計了能被疊放至其他晶體管頂部的晶體管,用于代替在芯片上并排放置的方式,高效的將兩只晶體管放入了原本只容納一只晶體管的空間里。

 

研究者用噴墨打印機每次打印出一層3微米高的電路:在底層,他們用有機化合物制成電流進出一只晶體管的部分,緊接著是控制兩個晶體管中電流的金屬電極。最上面,則是構成另一個晶體管載流部件的有機化合物。研究者還在晶體管層之間放置了一層很薄的聚對二甲苯保護材料。此設備包含超過100個晶體管,足以構成具備一定運算能力(包括加和減)的邏輯電路。

 

Jung的設備達到了一些關鍵指標。在8個月之后,所有晶體管依然能工作。對于壽命很短的有機電子元件來說,這是一項令人印象深刻的成就。此外,相比于動輒幾百度高溫的硅晶片生產線,此流程對溫度的要求不超過120攝氏度。該團隊將此研究發表在了ACS Nano期刊上。

 

然而,這些打印出的設備還遠遠不能與硅材料競爭。該團隊能將五只晶體管裝入一平方毫米的空間里,然而如今計算機上的集成電路能在相同空間中塞入數百萬只晶體管。“在晶體管密度方面,我們的技術和上世紀六七十年代的硅晶體技術差不多,那時最早的微處理器也才剛剛出世。”Jung說道。

 

因為他們旨在闡述一種概念而非制造產品原型,Jung的團隊是在硬玻璃上打印的電路。但是他表示他們已經在柔軟的塑料上打印了相同的組件,并且將在近期對外公布結果。Dodabalapur也指出,從某些指標看,此新設備落后于其他研究者已實現的有機電路。例如,該團隊使用的計算邏輯類型比其他方法需要更多的晶體管,這就大幅抵消了更緊密地封裝組件的收益。并且晶體管的操作也相對緩慢,一致性也不高。此外,盡管在制造過程中對每個步驟都使用噴墨打印機是有可能實現的,但Dodabalapur表示:“把自己局限到一種打印和制造技術上,我沒看到任何優勢。

 

但是當產品轉向商業化的時候,這類的缺陷可能會被消除,PARC的柔性電子元件專家Janos Veres表示。他稱贊這項研究在打印和保護有機電路組件時所展示的新穎方式,并且他設想的未來傳感器并不僅僅包含兩層。但大多數的晶體管,也許需要和硅芯片以及其他技術協同工作。他表示:“最終我們一定能實現微芯片的打印。”

責編:科普知識

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