אלקטרוניקה פלסטית: זיכרון, אף ועור

למעגלים חשמליים אורגניים יש פוטנציאל לשימושים רבים פרט לדיודות פולטות אור בצגים ושבבי RFID. למשל, בכנס הבינלאומי השנתי לרכיבים אלקטרוניים (IEDM) תיארו חוקרים מחברת Infineon שני סוגים שונים של שבבי זיכרון המבוססים על פולימרים אורגניים. הראשון היה סוג של זיכרון קבוע, כזה שהנתונים נשארים בו גם אם מנתקים את מקור המתח. החוקרים הראו שהשבבים שלהם מסוגלים לשמור על הנתונים יותר משנה, וטענו שבאמצעות החומר שממנו הוא מורכב, אפשר, בעיקרון, להתוות רכיבים קטנים עד כדי 20 ננומטר.

השבב השני היה סוג של זיכרון בגישה אקראית דינמית, או DRAM, שבו כל סיבית מידע כוללת טרנזיסטור וקבל. גודל הרכיבים בשבב הזה הוא כ-140 ננומטר. שבב ה-DRAM הוכן באמצעות צורה משופרת של ציפוי בסחרור, ומפולימר חדש שיציבותו נשמרת אפילו מעל 450 מעלות, הרבה מעל הטמפרטורה שבה עומדים רוב הפולימרים המוליכים.

חומרים פלסטיים מוליכים יוכלו למצוא את מקומם גם בהתקן שונה לגמרי: חיישן כימי.

הגרסות המסורתיות של ההתקנים האלה מורכבות לעתים מתריסר אלקטרודות מצופות בחומרים פולימריים מרוכבים, כמו למשל, פולימרים מעורבים באבקת פחמן שחור. כל אחת מן האלקטרודות מצופה בסוג שונה של פולימר, וכשהתרכובות האלה נחשפות לגז מסוים הן מגיבות בדרך אופיינית, או אידיוסינקרטית, כלומר כל אחת מהן סופחת את הגז במידה זו או אחרת האופיינית לה. הספיחה מביאה לתפיחת הפולימר, דבר המשנה את המוליכות החשמלית שלו, המתאפשרת בזכות חלקיקי הפחמן. טביעת האצבע של השתנות המוליכות החשמלית בכל תריסר הפולימרים מזהה את הגז.

פעילות לפי סוג הגז

אפשר להגיע לתופעות דומות אם משתמשים בפולימרים מוליכים או מוליכים-למחצה במקום בחומרים המרוכבים של פחמן שחור. חיישן של פולימר מוליך יכול לפעול פשוט באמצעות שינוי בהתנגדות החשמלית של הפולימר. אולם אפשר לעצב את הפולימר גם ליצירת קבלים או טרנזיסטורים של תוצא-שדה שהמאפיינים שלהם משתנים על פי זהות הגז שנספח אל הפולימר. חיישנים הבנויים מפלסטיק מוליך עשויים להיות רגישים יותר מהגרסות המרוכבות הישנות.

לטרנזיסטורים תהייה השפעה מיוחדת על הרגישות משום שהם עשויים לשמש כמגברים מובְנים ולהגביר את תגובת הפולימר. תגובתו של רכיב מסוים לגזים עשויה להיות תלויה במבנה המדוקדק של הטרנזיסטור וגם בסוג הפולימר שבו השתמשו. אנאנת' דודאבאלאפור, כיום באוניברסיטת טקסס באוסטין, ועמיתיו הדגימו בשנת 2001 את פעולתם של חיישנים כאלה באמצעות טרנזיסטורים אורגניים בשכבה דקה. הוא גילה שחיישנים המבוססים על טרנזיסטורים בעלי ערוצים זעירים, שאורכם מצטמצם עד ל-10 ננומטרים, מגיבים במובהק טוב יותר מחיישנים גדולים.

חיישנים כאלה יוכלו להשתלב באריג הבגד כחלק ממערכת אלקטרונית לבישה. ויווק סובראמניאן ועמיתיו, מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, הציגו בשנת 2003 בכנס IEDM כיצד אפשר לבנות טרנזיסטורים בתוך סיבי הבגד ממש. (קבוצת המחקר שלו עבדה גם על חיישנים כימיים.) ערוצי הטרנזיסטורים האלה נבנו מפנטאצן גמיש בעל מוביליות של 0.05 סמ"ר לוולט לשנייה. הטרנזיסטורים נוצרו בכל הצטלבות של הסיבים הארוגים שתי וערב. כל תהליך הייצור היה באמצעות הוספה של חומרים: הרבדה של סיבים ושיקוע של שכבות נוספות על גביהם. ההימנעות מן הצורך ליצור תבניות באמצעות איכול, כפי שמקובל לעשות בשיטות ליטוגרפיות רגילות, מאפשרת את גמלון התהליך למשטחים גדולים יותר של חומר.

אף על פי ששערי הטרנזיסטורים נבנו מתחמוצת בלתי גמישה, ששימשה כשכבת בידוד, היה אפשר לגלגל את האריג לצורה השקולה לגליל בקוטר 15 ס"מ מבלי לפגוע פגיעה ניכרת בתכונות הטרנזיסטורים. אם יחליפו את התחמוצת במבודד אורגני גמיש, יהיה אפשר לפתל את האריג בקלות רבה עוד יותר.

אפשר לדמיין בדים העשויים מאריג אלקטרוני שתכונותיהם ניתנות לשליטה, בין השאר שינוי צבע למטרות הסוואה או לשם הצגת מידע, שינוי בנקבוביות לשם בקרה על ההזעה, ושינויים נוספים שישפיעו על חימום הגוף או צינונו. מחשבים לבישים כאלה יוכלו גם לעקוב אחר סימני החיים של האדם הלובש אותם או אחר תנאי הסביבה המקיפה אותו. מארג החוטים יאפשר לעקוף קרעים או נזקים באריג ולהעביר את האותות מסביבם.

מטרות מורכבות

נותרה עוד עבודה רבה כדי להגשים את המטרות האלה. ראשית, הטרנזיסטורים צריכים להיות עמידים יותר בכיפוף ובעיקום של החומר. אבל היישומים האלה לא דורשים שביצועי הטרנזיסטורים יהיו גבוהים במיוחד.

ואם בגדים ממוחשבים אינם מעניינים אתכם, מה בדבר עור אלקטרוני? בנובמבר 2003 הכריזו טאקאיו סומייה ועמיתיו מאוניברסיטת טוקיו על פיתוח יריעה גמישה, המכילה טרנזיסטורים של פנטאצן, כדי ליצור שכבת עור רגישה ללחץ שתאפשר להעניק לרובוטים חוש מישוש. המרכיב הרגיש ללחץ של היריעה הוא שכבה של חומר מרוכב, עשוי גומי ופחמן, שההתנגדות החשמלית שלו תלויה במידת הדחיסות שלו. השינוי בהתנגדות מפעיל טרנזיסטור הממוקם בשכבה עמוקה יותר. הצוות ייצר יחידות שכל אחת מהן כללה מערך של 16X16 חיישנים, ששטח כל אחד מהן 3 מילימטרים רבועים, וטרנזיסטורים שהעבירו את האותות משורות ועמודות החיישנים.

כדי לכסות שטח רחב יותר אפשר לקשר את האלקטרודות החופפות באמצעות חיבור הקצוות שלהם והדבקתן באמצעות סרט הדבקה. אין אפוא שום מניעה להכין יחידות חישה גדולות יותר. כל המבנה עשוי מפולימרים ומשכבה של פנטאצן, מלבד אלקטרודות זהב וציפוי נחושת שמוצמד לשכבה המרוכבת של גומי-פחמן. אפשר לגלגל את היריעה עד לרדיוס של חמישה מילימטרים, רדיוס קטן דיו כדי להקיף אצבע דקה. התכנון הנוכחי לוקה כיוון שהטרנזיסטורים אינם יציבים דיים - תגובתם דועכת כבר לאחר כמה ימים, ואילו חיישנים אידיאלים אמורים לפעול חודשים או שנים. בעיה נוספת היא מתח ההפעלה הגבוה, 40 וולט, שהחוקרים מקווים להוריד ל-10 וולט.

רובוטים אינם נפוצים עדיין מחוץ לאולמות התעשייה ועולם התחביבים והצעצועים - כמו אייבו, הכלב הרובוטי של סוני. הנציבות הכלכלית של האו"ם באירופה (UNECE) מעריכה שעד סוף שנת 2002 נמכרו ברחבי העולם רק 50,000 רובוטים ביתיים (רובם מכסחי דשא ושואבי אבק).

אבל הנציבות חוזה שהמספר יגדל ליותר מפי עשרה עד לסוף שנת 2006. לצד הרובוטים ייכנסו לחיי היום-יום עוד ועוד התקנים חכמים ומוצרים הכוללים שפע של צגים וחיישנים. וכשהעתיד המגיב והאינטראקטיבי הזה יבשיל, האלקטרוניקה האורגנית תשחק בו תפקיד מפתח.