【尖端科技】互動式自驅動透明紙

■未來的防盜防偽系統可能倚賴這張又薄又透明而且不用插電的紙上。

116-2撰文|方程毅

以紙為主體的電子元件越來越受到重視,應用也越來越多,例如在紙上製作電晶體、OLED或天線等等。由於紙具有可撓曲性、重量輕、對環境較無害而且便宜的特性,因此在紙上大作文章還真有不少搞頭。但電子元件終究需要電,電子元件要能運作通常要外加電源,但假設能有一張紙不加電源就可以工作,使用起來也更方便、更具有彈性。

中國武漢光電國家實驗室及美國馬里蘭大學(University of Maryland)材料系共同研發出一種智慧透明紙,在沒有外加偏壓時可以經由手指按壓產生電流,雖然電流不大,而且只有按下去及放開的瞬間才有電流,但仍舊可以做為防偽或防盜之用。

這個經由按壓產生電流的透明智慧紙被命名為(Transparent Paper-Based Flexible Generator (TPFG))。結構就像三明治一樣,最上層跟最下層都是一般的透明紙,接著將奈米碳管(CNT)鋪在紙上,然後在其中一面鋪上聚乙烯(polyethylene, PE),最後再像三明治一樣將兩張紙面對面疊在一起,但中間留有一些空隙,於是整層結構由上到下分別為:透明紙/奈米碳管/聚乙烯/空氣空隙/奈米碳管/透明紙(如圖),當手指按壓時會在瞬間產生電流。產生電流的原理是藉由調整空氣空隙的大小而影響奈米碳管的帶電量(上層奈米碳管帶電量為 \ Q_{T} ,下層為 \ Q_{B} ),奈米碳管之所以會帶電是因為聚乙烯會一直保有固定的電荷量 \ Q_{P} ,因為 \ Q_{P} 不會因為按壓而改變,才能進而改變 \ Q_{T} Q_{B} 的分布而產生電流。

TPFG工作原理示意圖 (T-paper: 透明紙、CNTs: 奈米碳管、PE:聚乙烯、Air gap: 空氣縫隙)
TPFG工作原理示意圖 (T-paper: 透明紙、CNTs: 奈米碳管、PE:聚乙烯、Air gap: 空氣縫隙)

一開始當TPFG沒有被施壓,上下兩層距離較遠時,為了要讓整層都是電中性,上層的奈米碳管會帶正電以中和聚乙烯的負電(圖I);但是當對TPFG施加壓力,空氣空隙開始縮小時,下層的奈米碳管就會產生感應正電荷,上層奈米碳管的正電荷也同時減少,正電荷從上層經過外電路往下層移動產生電流(圖II);由於只有空氣空隙的改變才會造成電荷重新分布,因此若是不放開或繼續施壓是不會有任何電流的(圖III);接下來將施壓釋放,下層奈米碳管因為距離聚乙烯越來越遠,因此感應電荷變少,正電從下層經外電路向上層移動,產生與步驟II相反方向的電流(圖IV)。

一張透明紙,壓跟放就可以產生電流,有什麼用途呢?論文作者在文中提及,若是將這張透明紙覆蓋在名貴的畫作上,並連到警示燈或警鈴上,當有人觸碰或甚至竊取時,就可以達到警示的作用。另一種應用是防偽,作者將TPFG分成四個區域,這四個區域分別代表1 2 3 4,在按壓不同區域時,連接到外電路就會亮出不同訊號,也因此我們可以任意將密碼編進不同區域,要辨別真偽就連到事先定義好的外電路,壓不同區域馬上就知道真假,也因為TPFG是透明無色的一張紙所以既不影響外觀又不需要另外通電,也因此貴重物品的防盜防偽系統都能使用這個神奇的透明紙。不僅如此,在未來TPFG更可以應用在身分證、出生證明文件、個人戶籍資料甚至是信用卡上,讓身分及隱私都更有保障。這項研究被發表在美國化學學會期刊ACS Nano,並受到Nanowerk網站報導。

參與這項研究計畫的馬里蘭大學胡良兵教授表示:「我們的透明紙具有大規模生產及實際應用的潛力。」「我們製備TPFG,並實際展示其有能力做防盜防偽之用。」

但因為TPFG本質上還是紙,因此遇到濕氣或水還是很容易毀損,如何能夠在各種不同的環境都還保有原本的性質,並且拓展在不同地方的應用性及增加耐用性仍然是一大課題。

--原始論文與圖片出處:Zhong, Junwen, Hongli Zhu, Qize Zhong, Jiaqi Dai, Wenbo Li, Soo-Hwan Jang, Yonggang Yao et al. "Self-Powered Human-Interactive Transparent Nanopaper Systems." ACS nano 9, no. 7 (2015): 7399-7406.

參考資料:Towards self-powered electronic papers

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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