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物件溝通的可能性 – 二極體電子標籤

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Credit: Linköping University and Acreo Swedish ICT

衣服上的標籤可以直接和手機連線,告訴你這件衣服的資訊?用手機靠近紙鈔就可以判斷真偽?你家的電器甚至是牆上的海報,所有東西都能互相聯絡傳遞資訊?這聽來像是科幻小說的情節,在不遠的未來真的有可能被實現!

「物聯網(Internet of Things)」,是在描述生活中所有的用品都能彼此傳遞訊息的概念,甚至能夠進一步對彼此的變化作出調整,其中物件並不限於常見的網路3C產品,更包括了服飾、紙張、沙發這類原本不具有電路、網路功能的物品。最近,瑞典與英國的合作研究團隊發展了一款電子標籤[1],可以將二極體「列印」到物件上,當手機靠近並撥號時,電子標籤可以吸收手機發出的電磁波訊號,轉換成電流,驅動標籤上的其他元件運作(像是可以驅動顯示器顯示畫面)。

智慧型手機的電磁波接收與傳送頻率大致落在300MHz到3GHz的範圍(稱為ultra-high frequency, UHF),以往的電子標籤受限於其材質與製程,並無法有效地接收此波段的訊號;舉例來說,有機半導體可以印刷到彈性材質上作為二極體或是電晶體,但由於電子在其上移動的速率(遷移率, mobility)太慢,拖累了整體材質的操作頻率,而無法接收在UHF波段的手機訊號;曾有實驗嘗試在高真空率下進行有機半導體材質的鍍膜作業,此方法可以有效提升電子遷移率,但卻相對大大提高了製程成本而無法量產化。另外,也有人使用奈米顆粒的半導體墨水作為電子標籤,此材質雖然可以接收高頻電磁波,但其製程上需要使用高溫,很容易破壞掉作為基材的紙或是彈性聚合物,一樣不太可行。

為了解決這個問題,研究團隊使用了蕭特基二極體(Schottky diode)作為電子標籤的材質,比起一般的二極體,蕭特基二極體具備較低的導通電壓下降值(forward votage drop)並允許快速的切換操作,可以提升系統的效率。

在製作上,研究團隊先將矽晶圓參雜金屬銻(Sb)後,打碎成介於直徑100奈米至1微米的小顆粒,把小顆粒與粘合劑充分混合,然後塗到鋁電極上;下一步,塗好的電極會加上矽化鈮(具高導電度和抗氧化性)作為保護層,提升產品的耐用度;最後,在其上鋪設石墨電極和一層銀膠便可完成。整個製程不需要真空環境或是高溫,比起過去的方法更加節省成本。

製作出來的二極體,搭配鋁箔天線,便可有效吸收UHF的電磁波並且轉換成電流。目前,實驗測量到的效能雖然在電磁波頻率大於1.6MHz時會有所下降,但已能使系統產生足夠的電流驅動電致變色螢幕(electrochromic display)(在1.8MHz頻段的手機旁,可以產生19微安培的電流)。

這項技術ㄧ開始,其實是為了發展成紙鈔的防偽標籤(世界最大的紙鈔及護照生產公司De La Rue也是本計劃的參與者之一),當我們需要判定紙鈔真偽時,只需把智慧型手機靠近,電子標籤就會吸收手機的電磁波,並回傳辨識訊息(包含這張鈔票的來源之類的訊息), 這樣的設計比起傳統的防偽技術更加嚴謹,也相對增加了偽造難度。

當然,這項技術一旦發展成功,其應用面絕對不限於紙鈔,像是各類傢俱、生活用品都可以與手機連結,甚至它們彼此間也能溝通訊息,作出調整。要達到量產階段,目前還需要再壓低製程成本,對此研究團隊正朝著尋找矽化鈮替代材料的方向前進;同時,若能將二極體的操作頻率拉高到2.4GHz,就能進一步和手機的wifi與藍芽做結合,讓產品普及化更容易。

 

延伸閱讀:

參考資料:

  1. All-printed diode operating at 1.6 GHz, Göran Gustafsson et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, DOI: 10.1073/pnas.1401676111

資料來源:Printed Diode Is Fast Enough to Speak With Smartphones [IEEE, July 7, 2014]

關於作者

昱夫

PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。