스마트폰, 태블릿, 피트니스 트래커, 헤드폰. 오늘날 우리가 사용하는 대부분의 전자 장치는 단단한 금속, 플라스틱 및 유리로 만들어집니다. 그러나 전자 제품은 그럴 필요가 없다고 Marina Sala de Medeiros는 말합니다. 그녀 팀의 새로운 전자 키패드를 생각해 보십시오. 배터리가 없습니다. 사용자의 터치는 실행에 필요한 모든 기능을 제공합니다.
“당신이 가지고 있는 모든 전자 제품을 종이로 만들 수 있는지 생각해보세요.”라고 그녀는 말합니다. 종이는 저렴하고 풍부합니다. 또한 유연하고 가볍습니다.
Sala de Medeiros는 인디애나 주 웨스트 라파예트에 있는 Purdue University의 엔지니어입니다. 그녀와 그녀의 동료들은 일반 종이를 간단한 전자 키패드로 바꾸는 방법을 찾았습니다. 전 세계의 많은 팀이 종이 기반 전자 제품을 연구하고 있습니다. 그러나이 새로운 장치는 자체적으로 전원을 공급하고 물과 먼지를 밀어내는 최초의 장치입니다.
연구원들은 Nano Energy의 2020년 12월호에서 이 새로운 발명을 설명했습니다.
Sala de Medeiros는 그녀의 종이 키패드에 영감을 준 단 한 순간도 없었다고 말합니다. 대신 그녀는 다른 엔지니어들이 작업해 온 장치에 집중했습니다. 그런 다음 그녀는 스스로에게 물었습니다. “틈이 무엇입니까? 무엇을 극복할 수 있습니까?”
높은 비용은 일부 유연한 전자 장치의 문제였습니다. 그래서 그녀는 저렴한 재료로 작업하기로 결정했습니다. 그렇게 하면 결국 그녀의 아이디어를 대부분의 사람들이 감당할 수 있는 것으로 바꾸는 것이 더 쉬워질 것입니다. 그녀는 또한 일반 종이처럼 느껴지지만 쉽게 젖거나 더러워지지 않는 것을 원했던 것을 기억합니다. 또한 “주머니에 꼭 맞아야 한다”고 그녀는 말합니다.
테프론은 음식이 냄비와 프라이팬에 달라붙지 않도록 하는 화학 코팅입니다. 유사한 화합물은 또한 종이를 방수 처리할 수 있습니다. 그래서 그녀는 소위 과불화(Pur-FLOOR-ih-nay-tid) 화학 물질을 테스트하기 시작했습니다.
이상하게도 최선을 다해야 할 사람이 전혀 일을 하지 않았다. 그녀가 종이에 뿌렸을 때 여전히 물이 스며들었습니다. 무엇이 잘못되었나요?
몇 가지 연구 끝에 Sala de Medeiros는 이 화학 물질이 공기와 반응한다는 사실을 알아냈습니다. “유리병을 열자마자 화학 물질을 죽였습니다.”라고 그녀는 깨달았습니다.
그녀는 더 많은 화학 물질과 성가신 공기가 방해받지 않고 사용할 수 있는 특수 장비를 구입해야 했습니다. 이제 화학 물질은 계획대로 작동합니다. 뿌린 후에도 종이는 여전히 종이처럼 느껴집니다. 그러나 물은 스며드는 대신 표면에 구슬처럼 맺힙니다.
손끝의 힘
다음 단계는 전자 회로를 추가하는 것이었습니다. 팀은 종이 뒷면에 회로 모양의 스텐실을 배치했습니다. 그런 다음 그들은 여러 층의 재료에 뿌렸습니다. 두 개의 층에는 작은 니켈 입자가 포함되어 있습니다. 이들은 회로를 통해 전기를 전달하는 전선과 같은 역할을 합니다. 마지막 층은 테플론과 같은 화학 물질의 또 다른 코팅입니다. 마지막으로 팀은 종이를 뒤집어 반대편에 숫자 키패드를 인쇄했습니다. 그들은 또한 작은 Bluetooth 칩을 추가했습니다. 이를 통해 종이 장치가 컴퓨터와 통신할 수 있습니다.
회로에는 전기 공급원이 필요합니다. 그것은 손가락 탭에서 나옵니다. Sala de Medeiros는 “입력할 때 에너지를 사용할 수 있습니다.”라고 말합니다. 이러한 마찰 전기(Try-boh-ee-LEK-trik) 에너지는 두 물체가 서로 닿거나 문지르는 마찰에서 발생합니다. (이러한 유형의 정전기는 스스로 생성할 수 있습니다. 양말을 신고 보송보송한 깔개 위를 걸어가면 됩니다. 나중에 문 손잡이나 다른 사람을 만졌을 때 전기가 튀는 느낌이 들 정도로 충분한 전하가 축적될 것입니다.)
새로운 키패드에서는 손가락으로 탭하는 압력으로 종이에 뿌려진 재료 층을 함께 문지릅니다. 이것은 일반적으로 약 20V의 소량의 전력을 생성합니다. 인쇄된 전선을 따라 전기를 Bluetooth 칩으로 보냅니다. 그런 다음 칩은 컴퓨터에 신호를 보내 사람이 누른 번호를 알려줍니다. 이제 그 숫자가 컴퓨터 모니터에 나타납니다.
Manos M. Tentzeris는 장치가 손가락 탭에서 생성하는 전압은 많지 않다고 말합니다. 애틀랜타에 있는 조지아 공과대학의 전기 엔지니어인 그는 연구에 참여하지 않았습니다. “키보드와 같은 간단한 구조의 경우 충분합니다.”라고 그는 말합니다. 그러나 무비 플레이어와 같이 전력 소모가 많은 장치의 경우에는 충분하지 않습니다.
해리포터의 세계
실제로 많은 유용한 장치에는 많은 전력이 필요하지 않습니다. Sala de Medeiros의 팀은 음악 플레이어용 컨트롤러도 인쇄했습니다. 탭 화살표는 노래 사이를 전환합니다. 인쇄된 바를 따라 손가락을 밀면 볼륨이 올라가거나 내려갑니다. 음악은 종이가 아닌 컴퓨터에서 재생됩니다.
가까운 장래에 이러한 종이 전자 장치는 센서로 가장 유용할 것입니다. 예를 들어, 돈에 인쇄된 간단한 센서는 위조를 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 식품이나 의약품 포장에 인쇄된 센서는 제품이 너무 뜨거워지거나 차가워져 더 이상 사용하기에 안전하지 않은지 감지할 수 있습니다.
그러나 결국 이러한 유형의 혁신은 “해리포터에서와 같이 실제로 상호 작용하는 종이”로 이어질 수 있다고 Tse Nga Ng는 말합니다. 그녀는 새 연구에 참여하지 않은 샌디에이고 캘리포니아 대학의 엔지니어입니다. (해리포터 책에서는 신문의 그림이나 벽에 걸린 사진이 이리저리 움직이며 말을 한다.) 언젠가는 사람들이 종이 태블릿이나 뮤직 플레이어를 직접 인쇄할 수도 있을 것이다.