纤维上的电路是什么「线性电感元件」

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你醒来昏昏沉沉的。是因为昨晚喝的几杯香槟还是因为生病了？你浴室里的一个小纸条可以确切地告诉你原因。你把这张纸条放在舌头上，几秒钟后抽出来看到了坏消息：“感冒”选项旁边有个小绿点。当你从钱包中翻出你医生的名片时，你发现它与你上次见到的样子不同了。他办公室的电话号码本来是黑色的。现在，它变成了闪烁的红色，标志着这个号码最近被更改了。

这一情景所描述的电子产品离我们并不遥远；其实，这些描述成为现实的核心技术突破已经在过去的几年中全部实现了。虽然，将它们应用于名片或包装标签等物品上的成本仍然过高，但材料科学的长足进展，以及更简单的制作工序为新一类廉价、可弯曲、可丢弃、甚至可回收的电子产品提供了舞台。而其中一些最令人兴奋的进展就发生在纸上。

乍一看，纸张看似不太可能成为柔性电子产品研发竞赛中的领跑者。这种材料没有塑料坚固耐用，也没有可弯曲的玻璃光滑如新。在微观层面上，它只是一些纤维的结合体，其结构几乎不能成为功能精细且统一化的电路元件的理想选择。

但纸张实际上有很多优势。它质量很轻、柔软、可生物降解、能用可再生资源制造。它的适应能力也非常强：使用合适的添加剂和制造工艺，纸张特性可呈现出无数种变化。它可以制成亲水性或疏水性的、渗水的或防水的、不透明的或近乎透明的、易碎的或坚固的、粗糙的或如玻璃般平滑的。

纸电子具有价格极低的潜能。这种材料本身就是非常廉价的；常规品种的成本是塑料薄膜的十分之一。即使是专为电子产品生产的特殊纸张，其价格大约也只有硅价格的1%。轮转印刷机可以在大片的纸张上以每秒30米的速度印刷精微的图案——大约比奥运飞人尤塞恩•博尔特（Usain Bolt）奔跑的速度快三倍。

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当我在辛辛那提大学（University of Cincinnati）的研究小组首次开始研究纸张时，我们对于这种材料成为电子产品的基础层或基板的可能性并没有考虑太多。我们本来感兴趣的是一种相对狭窄的应用，可以被称作“纸上的电子纸”，本质思想是在纸张上直接构建电子显示。初步的原理证明实验远远超出我们的预期，之后的几年，我更确信了纸张的潜力会与硅所展现的潜力一样广阔（也许不及硅的深度）。纸张已经显示出作为传感器、生物化验、RF天线、电池、电路板和智能包装标签等基板的潜力。在未来，我们将看到基于这种技术的首批电子产品走出实验室，来到消费者和企业用户的手中。

晶体管

在一个由塑料、玻璃和硅占主导地位的高科技世界中，人们也许会觉得吃惊，对于纸质电子产品的研究竟然可以追溯到近50年前。在20世纪60年代后期，Peter Brody的西屋电气公司（Westinghouse ElectricCorp.）的研究小组用纸和其它材料进行了实验。实验材料作为薄膜晶体管的基底，此类晶体管可以被内置到开关阵列中来控制液晶显示器的各个像素。

即使是那时，在大量的涂层和加工创新出现之前，纸张就具有一些引人注意的属性。其中最主要的属性是其具有电绝缘体的性质。一般纸的电阻率约为100亿欧姆•厘米，约是硅内在电阻率的10万倍。这意味着，在理论上，这种材料很适合用于制作电子设备的基板。因为纸材料具有很好的抗电流性，这类基板能有效地消除电子在基板间的跨越，使晶体管在关闭时可以处于良好的断路状态。

这并不是说纸就是制造晶体管理想的材料。玻璃和传统的半导体材料等很容易制造，表面高度可低至几纳米到更小不等。但纸的高度范围最多从零点几微米至几微米，取决于纤维尺寸以及这些纤维如何混合形成一个平垫。在这样不规则的表面制造的电子设备很可能在性能上差异很大，并且相当大的一部分可能根本无法工作。

尽管如此，随着电子阅读器和软屏反射显示器的兴起，研究人员开始探索纸作为电子基板的潜力。潜在的回报将是巨大的：如果他们能做成控制像素的后端电路，那么对于制造出多变的反射显示器就已经成功一半了。这种显示器将具有纸张的天然外观和手感（薄、轻、软）。

自那时起，大约有六个研究小组在构建基于纸张的晶体管方面取得了长足的进展。他们使用了硅或氧化铟镓锌等无机半导体，或并五苯或P3HT等有机材料作为载流通道。大部分进展基于发现或研制适用类型的纸张。最好的纸张是那些具有特殊聚合物涂层的纸张，这有助于填平纸粗糙的表面并将纸密封起来，以防止在制造过程中的化学降解。

在传统半导体结晶膜的加工温度下，纸会燃烧起来。因此，无机纸质晶体管通常是由无定形、非结晶性的膜制成。这种膜可以在较低温度下、利用真空材料沉积的标准技术制成，如蒸发或溅射技术。这种制造策略比较简单，但由此产生的晶体管有可能包含纸张固有的纹理变化，使电流通过它们所需的电压可能比使电流通过玻璃或硅制造的晶体管所需的电压高十几倍。例如，约翰•罗杰斯（John Rogers）在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（Urbana-Champaign）的研究小组一直在不断完善一种替代方法，其中电路是在硅上制造的，在完成后再转移到纸上（或其它基材上）。这种方法能够制造出性能更好的电路，虽然制作过程更为复杂，也更加昂贵，因为它是从硅晶片开始的。

然而，当涉及到大规模生产时，有机半导体可能才是发展方向。不同于无机材料，有机材料可以溶解在液体中，像普通墨水一样，利用轮转印刷机印制在纸上。但是这种方法仍面临一些障碍。其一是，由于有机半导体的固有性质，晶体管的速度较慢。而且有机开关天生对环境条件更为敏感。例如，氧气或水蒸气会使其降解，甚至会使有机材料和金属电极之间产生裂缝（通过氧化降解或溶解部分材料结构）。表面处理可以提高纸的防水特性（防止纸从空气中吸水，影响上面的元件）。但这一技术仍然需要进行改进，以确保有机电路在相对潮湿的环境中能长时间保持良好的性能。

像素

在纸上制造的薄膜电路速度很慢，无法用于通用计算。但将其用作控制或交互的“外向型”设备，例如传感器、显示器和能力收集的传动装置，则是具有吸引力的。

在纸上制造这样的设备与制造后端电子产品一样具有挑战性。但它已有了很大的进步，尤其是在相对便宜且低功耗的反射式显示器领域。一种可行的方法是电致变色显示器，它使用了导电性聚合物制成的像素。如果对此类像素施加足够的电压，电子就会被击发出来，并且聚合物的光学性能就会发生变化，比如说从深蓝色变为透明。这种由瑞典林雪平大学（Linköping University）的马格纳斯•博格瑞恩（Magnus Berggren）的小组创造的方法有很多好处。比如，它只需要几伏的工作电压，并且结构非常简单。但它也有一些缺点。它可呈现的颜色是有限的，且开关速度相当慢。像素转换完成的时间从几分之一秒到几秒钟不等，这就使这种显示器不适用于全动态视频。

在辛辛那提大学，我的团队一直在努力调试另一种被称为“电润湿”的显示方法，这种方法传统上是用于玻璃的。“电润湿”通过将液体封闭在两个表面之间，然后通过对其施加电压来改变它们的表面张力。表面张力的改变会使有色液体扩散并反射光线，或者收缩起来使光线通过。纸张似乎天生并不适用于此类技术。电润湿显示器通常使用水和油等纸容易吸收的液体。像素也需要建立在一个非常光滑的、像玻璃一样的表面，以确保可靠性和快速响应。粗糙的表面很难保证液体能够每次向被要求的方向移动。

我们首先试验了厨房橱柜中那种蜡纸，标准的“光面”商业纸张，还有一种半透明的玻璃纸。虽然所有这些种类的纸张表面都是防水的，但它们最终都吸收了液体。之后，总部位于波士顿的北美萨佩高档文化纸业公司（Sappi Fine Paper North America）联系了我们，他们发明了一种聚合物涂纸，其表面的平均粗糙度只有几纳米，比玻璃稍高一点。这似乎就是我们需要的材料。有了这些材料，我们能够制造出可靠的像素，开关时间仅为10毫秒，几乎适合视频播放了。我们现在正在利用“电润湿”技术开发纸质显示器。我们认为，这种方法能够成为包装上面智能标签的理想选择，例如，可以播放产品操作演示视频，或用于向战场士兵播放重要信息的显示器，在必要时可以迅速销毁。

对于这两种显示器和后端电子产品，制造仍然是一个问题。制造纸质电子产品最快、最便宜的方式是使用轮转印刷机。但是，目前最先进的轮转印刷机分辨率也大约只有10微米。因此，使用这些机器制造的柔性电子产品的形体尺寸大约相当于1971年硅芯片的大小，那时微处理器约有2000个晶体管。在不牺牲印制速度的前提下提高分辨率将花费数年时间，且耗资巨大。

但尺寸并不代表一切。显示器——如果能够以经济的方式生产的话——仍然是有趣和使人爱读的，即使其元件尺寸比先进的集成电路所用元件的尺寸大得多（毕竟，当今最新的平板电脑和电子阅读器的像素尺寸为100微米，是用于制作最新存储器芯片最小特征尺寸的1万倍。）为了良好的性能，有些元件需要较大的特征尺寸；例如，无线射频识别标签需要较大的天线尺寸来接收和发射无线电波长的电磁波。即使是迄今有报道的最小的射频识别（RFID）芯片的一面也大约需要50微米。而当高电压电子产品的尺寸更大时，往往性能会更好，因为在大面积上分散负载会降低电击穿的几率。纸张作为变压器的绝缘体，已在这一领域内被使用了许多年。

微流体

我们制造纸电子设备和显示器，在一定程度上，是违背纸的固有属性的。但纸有一个天生适用的潜在应用领域：微流体。

微流体设备是通过将液体从一个点传送到另一个点进行工作的。在生物医学技术领域，它们尤其有用，因为你能够利用此类设备对少量的液体进行DNA分析或毒素检测的测试，这就降低了昂贵的化学品和试剂的成本，并大大减少了必须从病人身上提取的体液量。到目前为止，大多数的微流体单元都是高精度的，依赖于塑料进料管和外部供电泵，它们会占用相当大的桌面空间。如果模式正确，纸张可以被用来进行类似的测试，而无需这些外部配件。纸纤维之间纤细的通道很好地通过毛细作用自动吸收水或其它液体。

一些公司已经利用这种液体毛细作用制造了一次性的妊娠和血糖测试产品。但是，最近的重点已转移到“自下而上”的方法。与实现廉价、单一的测试不同，研究人员目前正试图开发一个通用类的、纸质的微流体系统，可以将其用于多种不同的测试，如监测肝功能或结核病诊断等。如果使用得当，这些测试可能会变得简洁、完备且便宜。它们也可以在无需大量培训的情况下，在家里或野外使用，并且在一次使用后容易焚烧处理。

这一领域的两位先驱者是哈佛大学的乔治•怀特塞兹（George Whitesides）和华盛顿大学的保罗•耶格尔（Paul Yager）。他们得到了比尔和梅林达•盖茨基金会早期且持续的支持，开发简单且成本极低的、无需特殊技能或工具的医疗诊断设备。他们的团队提出了几种简洁的方法制造微流体装置。一种方法是基于“涂蜡图形”工艺，使用喷墨打印机将蜡“墨水”印在纸张上。打印后，加热纸张，使蜡渗透整个材料。由于蜡浸的区域是防水的，液体的流动就被限制在无蜡的区域。毛细作用最终会引导液体进入含有化学试剂或生物标志物的干燥“隔间”进行测试。如果出现适当的化合物组合，就会发生化学反应，产生用户可以读取的颜色变化。这些装置的三维版本已经被开发出来了，通过一个紧凑的封装，对单一样本在不同层中进行多样的测试，或进行冗余测试来减少产生错误结果的概率。最近的一项创新来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的理查德•克鲁克斯（Richard Crooks）的研究小组，他们找到了一种方法，用单张纸构建多层质流体设备。该小组采用“手工折纸”的方法，先用光刻胶在纸上制成二维疏水性图形，然后通过有选择地剪裁和折叠（想象纸娃娃的制作），无需工具即可制成一个多层的正方形，内在的通道能使液体向上流动9层。

纸质化验技术已经催生出一些公司和非营利机构，并可能成为首项商业化的纸质技术。我希望它们最终可以通过增加一些通信和逻辑电路从而实现远程传感。然而，对于这些实验的实际制造成本、保质期、灵敏度以及结果可重现性等实用特性，还需要进一步了解和研究。

液体导流：这些基本的微流体传感器（对面，右侧）是在滤纸上制造的。直通道通向圆形传感器区域，该区域在二氧化氮的作用下会变成红色。一份样本在通过一个3D的微流体装置时，可以以多种方式进行测试，如（对面，左侧）这个装置，它是通过折叠建立的。

集成

我所描述的显示器和微流体系统仅仅是正在探索的应用的一部分。例如，我的小组和其他小组正积极地在纸上制造发光设备，从而制造发光显示器（见图“在显示器上”）。其他小组正在研究新的方式来制造可贴在弯曲面上的高性能且灵活的RF天线。当然，不管我们选择制造什么，纸电子产品将始终是受限的，除非我们能找到一种像纸张一样可移动的、薄、轻、灵活的方法来为此类设备提供电源。实际上，我们希望直接在承载这些设备的同一张纸上制造电池、电容器、或光伏电池。

在纸上储存能量的一个可能的方法是利用其细长的植物细胞膜质纤维，它能提供大量表面面积来存储电荷。纸张可以浸泡在电解质中，以区别于传统的电池。另外，它的表面也可以覆盖无机金属或碳以存储电荷。虽然纽约州特洛伊的纸电池有限公司（Paper Battery Co.）、以色列的Power Paper公司和芬兰的Enfucell公司等都对该领域进行了商业化的探索，但这项工作还远远不够。而存储规格似乎已取得了一些进展：一个1毫米厚、10×10厘米的方形贴片可以存储1.5伏特几百毫安时的电能，这是一个典型的5号电池容量的大约10%至20%。

一旦所有这些组件——电源、后端电路和前端设备都就位了，我相信，在纸上开发具有自供电和与外界通信能力、高度集成和功能完备的系统是完全有可能的。

但要实现这种集成将是一个重大的挑战。制造后端电路的纸基板与前端设备或具有通信和逻辑功能的微流体设备的纸基板是有很大差异的。某些功能、尤其是用于连接组件的导线特别脆弱，需要精心构造，可能要使用与那些传统刚性集成电路不同的材料和几何形状。

但如果我们成功了，前景将是无限的。在低技术含量的白炽灯和电动机领域与高科技世界的计算机芯片和平板显示器领域之间，我们将填补一项电气设备技术领域的重要经济空白。虽然数十年来，单个的晶体管的成本一直在下降，但材料、加工和装配的总体固定成本是巨大且不断增长的。如果想要对该行业进行重组，我们就需要一种全新的方法。

纸张可能会在电子领域慢慢兴起：它会首先在低成本——非高性能或小范围内的市场中出现。在发展道路上，电子纸将面临竞争：塑料更加坚固且更适用于电子产品，而玻璃现在可以非常薄且可弯曲。不难想象，它有一天可能会被送入轮转印刷机。尽管如此，纸有可能把我们带入我们从未想到的电子产品领域，为消费者在性能、可靠性和价格方面提供更广泛的选择。在纸上或在本文中（请原谅我用双关语paper)，没有理由认为这项技术会长期停留在实验室里。

作者 Andrew J.Steckl