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要電子產品輕薄、方便攜帶?那就印在紙上吧!

活躍星系核_96
・2021/02/02 ・2351字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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文/黃湘娟、劉若愉、蔡宜臻|國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學課程學生

嫌電路板太厚?把電⼦元件印在紙上

近年來,電⼦學領域在新材料與新製程上突⾶猛進,把許多過去無法想像的應⽤變 成可能,例如:穿戴式電⼦裝置、可彎曲且活動性佳的電⼦元件、體積極⼩的積體電路……等,因此對於電⼦元件基質的要求,也逐漸往重量輕易塑形厚度薄等⽅向發展。

⽽⼈類歷史上最古⽼的材料之⼀:紙,恰好完美地滿⾜以上條件!

紙張符合重量輕易塑形厚度薄的條件。圖/Pexels

以紙作為基質的電⼦產品,不但擁有優異的靈活性相對⼤的表⾯積—質量比,甚 至還有原料便宜且易取得、製作技術易掌握、製程中排放有毒物質少等優點,廢棄後的元件也容易進⾏回收處理,對環境更加友善。因此,在注重永續發展的今天,越來越多研究者開始投入紙基電⼦產品的開發。

然⽽要將複雜的電路印在薄且脆弱的紙上⼀點也不容易,若電路本身使⽤的材料過於厚重,不但對塗層技術是很⼤的挑戰,也很難製作出耐⽤的電⼦元件。於是科學家們便把腦筋動到了⼆⼗⼀世紀興起的新材料 ——⼆維材料上

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什麼是⼆維材料?

所謂的⼆維材料僅由⼀層原⼦或化合物組成,單層厚度通常⼩於數奈⽶,層與層之間只以非定向的凡德瓦⼒連結,相較於化學鍵與水分子間存在的氫鍵等都微弱得多,導致層與層間相對容易滑動、分離,因此又稱為凡德瓦材料。現今的⼆維材料,除了最早發現的⽯墨烯以外,還有其他多樣的族群,像是過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs)、六⽅氮化硼、⿊磷等等。

⼆維材料不但僅有原⼦等級的厚度,也具有極⾼的柔軟度、可調控的電性,更特別的是,在過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs) 中,可藉由改變組成、厚度與應⼒等調控能隙 (bandgap) 間距,因此,二維材料的可塑性與輕薄特性,讓他成為紙基電子元件塗料的不二人選。

現今⼆維材料的主要種類:六⽅氮化硼 (h-BN)、過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs)、⽯墨烯 (graphene)、⿊磷 (BP)、過渡⾦屬碳氮化物 (MXenes) 等。圖/參考文獻 1

以紙為基質的二維電晶體,製造也是用印的嗎?

如果將電⼦元件以紙基型態⽣產,元件性能很容易被紙張易於潮濕的特性影響,再 加上紙張的耐熱度不佳,所以紙基電⼦元件⼀直很難以⼯業製程等級製造。

MoS2 是屬於過渡⾦屬⼆硫族化物 (TMDs) 的其中一種二維材料,作為場效電晶體有著良好的電學與光學表現,但經由溶液處理的 MoS2 場效電晶體的⽣產過程中,包含酸液洗滌以及 200°C 以上的退⽕處理,而前段提及的紙張特性,顯然無法承受這兩道製程。所以若想要將場效電晶體以紙基⽅式⽣產,勢必得另闢蹊徑。

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於是科學家們想出了⼀個新的⽅法:通道陣列 (Channel Array)。這個⽅法結合了 兩種已知的技術:化學氣相沉積 (CVD) 以及噴墨印刷

所謂化學氣相沉積技術,也就是指將兩種或兩種以上的氣態原物料導入到⼀個反應室內,使之產⽣化學反應,形成⼀種新的物料,並沉積到晶⽚表⾯上。透過化學氣相沉積,就可以⽣產出⾼品質的 MoS2 通道;⽽噴墨印刷使製作者在電路設計上擁有很⼤的⾃由度。通道陣列既不⽤經過酸液洗滌不需要⾼溫處理,顯然更適合應⽤在紙上。

以化學氣相沉積法製作 MoS2通道,並將通道轉移到紙上。圖/參考資料 2

⾸先,以化學氣相沉積技術在基板上⽣成 MoS2,然後⽤化學物質將 MoS2 蝕刻成條帶狀,接著將條帶狀 MoS2 轉移到紙張上,作為電晶體的通道。⽽電路所需要的其他元件,可以透過含有⼆維材料的墨⽔,以噴墨技術在已布置 MoS2 通道的紙上印刷。

研究結果指出,透過通道陣列⽅法製造出的紙基場效電晶體,與⼀般⽅法製作的場效電晶體有著不相上下,甚至更優秀的電⼦移動率,以及微乎其微的漏電和良好的電流開關比。而這些結果代表著,紙基場效電晶體對電流的調控能力相當出色

在紙張上⽤含有⼆維材料之墨⽔,以噴墨印刷技術列印電路元件。圖/參考資料 2

此外,科學家們設計了更複雜的電路,比如:數位和類比積體電路模塊、邏輯閘 以及電流鏡等,來測試通道陣列的應⽤廣度,而電路運作良好,顯⽰通道陣列對於多元應⽤的可⾏性。 

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更重要的是,化學氣相沉積以及噴墨印刷都適合⼤⾯積製造,所以將此兩種技術結合的通道陣列⽅法,有極⾼機會應⽤於⼯業製程。

紙基電子產品發展,讓生活更輕便環保

待未來技術成熟時,不論從類比電路到數位電路,下⼀代「紙上」電⼦產品上都具有巨⼤的潛⼒,不只在相關的科學與科技領域中⽴下⼀個新的⾥程碑,在友善環境上,更是有大幅的躍進。

總⽽⾔之,透過新的通道陣列技術,以及⼈們對環保的追求,以紙作為基質的電⼦產品,往後的⽇⼦將⼤放異彩,就讓我們拭⽬以待吧!

致謝

本⽂源⾃於國⽴臺灣⼤學物理學系電⼦學之課程報告,感謝朱⼠維教授與程暐瀅助教的建議與協助。

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參考資料

  1. Dong, Z., Xu, H., Liang, F., Luo, C., Wang, C., Cao, Z.-Y., Chen, X.-J., Zhang, J., & Wu, X. (2018). Raman Characterization on Two-Dimensional Materials-Based Thermoelectricity. Molecules, 24(1), 88.
  2. Conti, S., Pimpolari, L., Calabrese, G. et al. Low-voltage 2D materials-based printed field effect transistors for integrated digital and analog electronics on paper. Nat Commun 11, 3566 (2020).
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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奠定現代通信基礎的克勞德.香農(Claude Shannon)
數感實驗室_96
・2024/06/06 ・743字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

以前小時候如果調皮不聽話,就會被大人叫去跪算盤,現在的家長家裡沒算盤了,反而會拿出電路板讓小孩跪。

咦?為什麼總是拿算數工具來懲罰小孩呢?

電路板上看似複雜電路板密密麻麻的,是電腦進行邏輯計算的關鍵。這小小的薄片能執行驚人的運算功能,背後的奧秘離不開一位傳奇科學家的貢獻。他不僅奠定了現代通信的基礎,還開創了人工智慧研究,這可不是一般人一生能做到的成就,但克勞德.香農(Claude Shannon)卻一次搞定。

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這位非凡的科學家是如何改變了我們的時代?

他讓我們今天能享受高效的通訊技術和智慧生活。如果你也覺得現在生活離不開手機和電腦,那你應該感謝這位數學和電機工程的天才。

對於 2000 年後出生的人而言,或許覺得用手機傳訊息、用電腦看影片再平常不過。但在 Shannon 出現之前,沒有人能系統性地定義「資訊」和「通訊」。他以其對動手實驗的熱忱,將這些看似無形的概念轉化為實際的理論,為世界帶來了一場資訊革命。

正是因為 Shannon 的卓越貢獻,我們才能享受如此便捷的現代通信技術。他不僅改變了科學的面貌,還深刻地影響了我們的日常生活。

Shannon 的故事也提醒我們,熱愛與好奇心是推動進步的核心力量。他用智慧和創造力,為我們打造現代通信的基礎,並開啟未來的無限可能。

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更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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從真空管到晶片:科技革命的關鍵里程碑
數感實驗室_96
・2024/05/25 ・670字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量,其實在現實生活中的 20 世紀末期,人類真的發明了魔法石!

想像一下,手機開啟視訊,可以看到遠方的景色和親友,這不就像遙視、千里眼嗎?或者問 AI 上網查資料,就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣!這些譬喻讓我們意識到,許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算,就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件,類似於樂高積木一樣,用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管,後來發明了電晶體,但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念,將許多電晶體整合在一起,這才開啟了晶片時代。

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從真空管到奈米晶片,科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片,它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法,由無數工程師代代相傳,用理性和創意塑造出來。所以,現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量,而是來自人類的智慧和努力。

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