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你未来用的电子设备,可能是用喷墨打印机打出来的

时间: 2016年12月08日 | 作者: Gabriel Popkin | 来源: Science
用有机材料制成的柔性电子设备一直让人充满期待,如果能用打印的方法廉价快速的制造那就更理想了。

 

 

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想象一下,你未来的智能手表和心脏监测装置将会由喷墨打印机打印而成。最近,研究者在打印廉价可靠的晶体管阵列上已迈出了新的一步,并使用它们完成了一些基础运算。晶体管是现代电子技术的关键元件,这项研究也许某天会带领我们进入一个有机柔性消费电子时代。

 

不同于传统的硅,新的电路将由有机物,也就是碳基化合物制成。尽管此前已经有团队结合喷墨打印机和其他沉积方法,打印并组装出有机电子元件,但这项新的研究整个制造过程都只使用了喷墨打印机。“我不知道还有其他超过两层的设备是只靠喷墨打印机完成的,”得克萨斯奥斯汀大学分校电子工程师Ananth Dodabalapur表示,“这是一次很好的示范。”他本人并未参与这个研究。

 

新的商业电子设备一定是要小巧耐用,适合大批量生产。现如今市场上几乎所有批量生产的设备都是基于用硅制成的微芯片,制造商在其上蚀刻出越来越小的晶体管,而晶体管实际上是用于形成计算机逻辑电路的电子开关。

 

但是硅芯片存在一些缺点。硅芯片很硬,因而很难制成柔性的硅基电路。很多人认为由有机材料制成柔性可穿戴的电子元件也许会开发出电子元件的新应用。例如柔性的电子元件能收集如动脉硬化程度这样的关键医疗数据。这能帮助预测心脏病发作,也可以通过监测脑电波用于预警可能发作的癫痫。

 

为了让这种电子元件兑现其潜力,来自韩国浦项科技大学的电子工程师Sungjune Jung和他的同事开始研究是否可以简单地打印出有机晶体管的工作网络。为了塞入更多的晶体管,他们设计了能被叠放至其他晶体管顶部的晶体管,用于代替在芯片上并排放置的方式,高效的将两只晶体管放入了原本只容纳一只晶体管的空间里。

 

研究者用喷墨打印机每次打印出一层3微米高的电路:在底层,他们用有机化合物制成电流进出一只晶体管的部分,紧接着是控制两个晶体管中电流的金属电极。最上面,则是构成另一个晶体管载流部件的有机化合物。研究者还在晶体管层之间放置了一层很薄的聚对二甲苯保护材料。此设备包含超过100个晶体管,足以构成具备一定运算能力(包括加和减)的逻辑电路。

 

Jung的设备达到了一些关键指标。在8个月之后,所有晶体管依然能工作。对于寿命很短的有机电子元件来说,这是一项令人印象深刻的成就。此外,相比于动辄几百度高温的硅晶片生产线,此流程对温度的要求不超过120摄氏度。该团队将此研究发表在了ACS Nano期刊上。

 

然而,这些打印出的设备还远远不能与硅材料竞争。该团队能将五只晶体管装入一平方毫米的空间里,然而如今计算机上的集成电路能在相同空间中塞入数百万只晶体管。“在晶体管密度方面,我们的技术和上世纪六七十年代的硅晶体技术差不多,那时最早的微处理器也才刚刚出世。”Jung说道。

 

因为他们旨在阐述一种概念而非制造产品原型,Jung的团队是在硬玻璃上打印的电路。但是他表示他们已经在柔软的塑料上打印了相同的组件,并且将在近期对外公布结果。Dodabalapur也指出,从某些指标看,此新设备落后于其他研究者已实现的有机电路。例如,该团队使用的计算逻辑类型比其他方法需要更多的晶体管,这就大幅抵消了更紧密地封装组件的收益。并且晶体管的操作也相对缓慢,一致性也不高。此外,尽管在制造过程中对每个步骤都使用喷墨打印机是有可能实现的,但Dodabalapur表示:“把自己局限到一种打印和制造技术上,我没看到任何优势。

 

但是当产品转向商业化的时候,这类的缺陷可能会被消除,PARC的柔性电子元件专家Janos Veres表示。他称赞这项研究在打印和保护有机电路组件时所展示的新颖方式,并且他设想的未来传感器并不仅仅包含两层。但大多数的晶体管,也许需要和硅芯片以及其他技术协同工作。他表示:“最终我们一定能实现微芯片的打印。”

 

原文链接:http://www.sciencemag.org/news/2016/11/your-future-smartwatch-might-be-printed-inkjet-printer


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