Ingenieurs van UC Berkeley hebben een nieuwe betekenis gegeven aan de term 'werkpapier'. Het gebruik van goedkope materialen, ze hebben opvouwbare elektronische schakelaars en sensoren rechtstreeks op papier gefabriceerd, samen met prototype generatoren, supercondensatoren en andere elektronische apparaten voor een scala aan toepassingen.

Onderzoek naar de ontwikkeling van papieren elektronica is de afgelopen 10 jaar in een stroomversnelling geraakt. Naast de beschikbaarheid en lage kosten, papier biedt een intrigerend potentieel:door het simpelweg op te vouwen, kunnen circuits worden in- en uitgeschakeld of anderszins hun activiteit veranderen - een soort elektronische origami.

Maar de meeste pogingen om elektroden op papier te fabriceren met voldoende geleidbaarheid voor praktisch gebruik, hebben dure metalen zoals goud of zilver als geleidend materiaal gebruikt. overspoelt de potentiële besparingen van papier als substraat.

Deze nieuwe technologie gebruikt het goedkope element molybdeen als de bron van het geleidende metaal. Het wordt toegevoegd aan gelatine in oplossing en bindt aan koolstof in de gelatine. Het papier wordt vervolgens bedekt met de oplossing en gedroogd. Een laserstraal "schrijft" precies de gewenste schakelpatronen, verhitting van het molybdeen tot ongeveer 1, 000 graden Celsius en vormende geleiders van duurzaam molybdeencarbide.

De met laser geschreven circuits zijn ongeveer 100 micron breed, ongeveer de diameter van een mensenhaar. Alle onverwarmde delen van het papier blijven niet-geleidend. De gelatinecoating levert niet alleen de koolstof voor de geleidende verbinding, maar voorkomt ook dat de laserstraal het papier verbrandt.

"Zonder de gelatine, het papier zou in as veranderen, " zegt Liwei Lin, hoogleraar werktuigbouwkunde en senior auteur van een paper in het tijdschrift Geavanceerde materialen rapportage van de veelzijdige nieuwe technologie.

Een "werkpapier" dat echt werk doet

De ingenieurs zien wijdverbreid potentieel voor de nieuwe, wegwerp papieren elektronica. Bijvoorbeeld, circuits om verontreiniging met zware metalen te detecteren, kunnen op papier worden "geschreven" om toxines economisch te controleren.

Een sensor gemaakt van verschillende elektroden die op een papieren circuit zijn geïntegreerd, kan onveilige loodniveaus detecteren in een druppel water of in een druppel bloed van een patiënt, zegt Xining Zang (MS '14, doctoraat '17 MIJ), die het onderzoek leidde als student werktuigbouwkunde in Berkeley in het laboratorium van Lin.

"De elektroden zouden kleine openingen tussen hen hebben, en de aanwezigheid van zwaar metaal in het monster zou het circuit compleet maken, " ze legt uit.

Zang, hoofdauteur van het tijdschriftartikel, is nu een postdoctoraal wetenschapper aan het MIT.

De nieuwe strategie voor papieren elektronica kwam voort uit Lin's onderzoek naar nieuwe soorten schakelaars, generatoren en batterijen, en Zang's focus op nieuwe materialen, samen met een gezamenlijke interesse in het groeiende gebied van het toepassen van origami op elektronische en mechanische toepassingen.

"Veel mensen hebben origami-onderzoek gedaan, het vormen van verschillende architecturen en verschillende vormen om verschillende functies uit te voeren, " zegt Lin. "Ons werk biedt een veelzijdige en gemakkelijke manier om geleidende gebieden op het papier te definiëren. We hebben nu zowel de bruikbaarheid getoond van het schrijven van veelzijdige geleidende patronen op papier, en de duurzaamheid van het vele honderden keren vouwen van het elektronische papier voor het in- en uitschakelen van circuits."

Hij hoopt dat de demonstraties de aandacht kunnen trekken voor gebruik in condensatoren en batterijen. Batterijen zijn in wezen samengesteld uit positieve en negatieve elektroden gescheiden door een kleine opening die een elektrolyt bevat. In een papieren batterij, hij zegt, een positieve en een negatieve elektrode zouden elk op papier kunnen worden afgedrukt, zodat het vouwen van het papier de kleine opening tussen hen zou creëren.

Zang zette haar onderzoek naar origami en nieuwe materialen in voor het papierelektronicaproject. Ze wil componenten voor energieopwekking integreren, opslag en functioneel gebruik, zoals een sensor, allemaal op één vel papier.

"Een op zichzelf staand wegwerpsensor kan zeer nuttig zijn in ontwikkelingslanden waar draagbare, er is vooral vraag naar opbergbare en goedkope instrumenten voor de volksgezondheid, " ze zegt.