Nhãn điện tử dùng sóng điện thoại để hoạt động

Một nhóm các nhà nghiên cứu Thụy Điển đã tạo ra một diode in có thể sử dụng đầu ra của sóng radio trên một smartphone để cấp năng lượng cho một màn hình điện sắc (electrochromic display).

Một ngày nào đó, chiếc điện thoại thông minh của bạn có thể giao tiếp được với tủ lạnh, hay xe hơi có thể hỏi những con đường trong thành phố để tìm được vị trí đậu xe hợp lý. Thế giới của Internet of Things (IoT - Internet của Vạn vật) đã vạch ra một thế giới tốt đẹp với mọi thứ được kết nối và giao tiếp được với nhau.

Không khó để tưởng tượng ra những thiết bị gia dụng có thể gia nhập vào thế giới của IoT. Nhưng với những vật dụng hoặc thực phẩm như quần áo, tạp chí hay hoa quả thì sẽ cần đến những nhãn dán mềm mại hơn. Lúc này, mạch điện tử in sẽ phát huy tác dụng với khả năng hoạt động với nguồn năng lượng thu được từ môi trường xung quanh.

Đi-ốt in đủ nhanh để có thể giao tiếp với smartphone.

Một nhóm nghiên cứu có trụ sở đặt tại Thụy Điển và Anh vừa tạo ra một nhãn điện tử (e-label) đầu tiên trên thế giới có thể giao tiếp với smartphone. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của e-label này là thu nhận năng lượng từ tín hiệu của điện thoại thông minh, sau đó sử dụng để vận hành một màn hình hiển thị nhỏ. Thiết bị tí hon độc đáo này đã được công bố chính thức và lưu giữ trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Hoa Kỳ.

Smartphone thường truyền và nhận tín hiệu ở tần số siêu cao (ultra-high frequency – UHF), dải tần từ 300 MHz đến khoảng 3 GHz và các nhãn điện tử có thể nhận được những tần số trong dải tần này. Ví dụ như các chất bán dẫn hữu cơ có thể được in lên trên các tấm nền mềm dẻo, linh hoạt để cấu thành nên các tổ hợp đi-ốt (diode) hay và bóng bán dẫn (transistor). Nhưng hầu hết trong số những đi-ốt hay bán dẫn này thường mất thời gian di chuyển và từ đó giảm tần số hoạt động.

Nếu sử dụng những tấm phim bán dẫn hữu cơ (organic semiconductor film) dưới một lớp chân không thì có thể cải thiện được chất lượng nhưng bù lại chi phí để sản xuất hàng loạt những mẩu nhãn này rất cao. Trong khi đó, mực bán dẫn nano (Nanoparticle semiconductor ink) lại rất phù hợp trong môi trường tần số cao, nhưng hầu hết các yêu cầu xử lý làm toả nhiệt sẽ phá huỷ chất liệu giấy hoặc nhựa dẻo.

Giải pháp đi-ốt có thể in Schottky kết hợp các ưu điểm của hai công nghệ để nhận tần số cao hơn. Một nhà khoa hoạc vật liệu tại tổ chức nghiên cứu công nghệ Acreo Swedish cho biết: “Đây là lần đầu tiên mà bất cứ ai cũng có thể làm bất cứ điều gì tương tự ở mức Giagahertz.” Ông nhấn mạnh thêm: “Đây là khởi điểm của việc sử dụng giấy kết nối Internet.”

Để xây dựng nên các thiết bị này, các nhà nghiên cứu dùng những tấm tinh thể silicon pha lẫn với antimony (Sb – antimon) và nghiền nát tổ hợp này thành các hạt cực nhỏ có kích thước từ 100 nm đến 1 micromet. Sau đó, họ trộn các hạt đã nghiền nát này với Polymer và in chúng vào một điện cực nhôm. Bước tiếp theo, họ trang bị thêm một lớp bảo vệ bằng vi hạt Niobium Silicide. Lớp này có thể dẫn điện tốt và chống oxy hoá cao. Cuối cùng, họ gắn cho thiết bị bằng một điện cực carbon và dán lại bằng một lớp kim loại bạc. Quá trình này chỉ cần một lần xử lý nhiệt và hoàn tất khi đưa thiết bị ra ngoài không khí.

Để có thể thu nhận sóng radio UHF và chuyển thành nguồn điện, thiết bị được gắn với một ăng-ten lá nhôm. Hiệu suất có thể đạt ở mức tần số 1,6GHz hoặc hơn, nhưng thiết bị có thể thu nhận tín hiệu của điện thoại thông minh ở tần số 1,8 GHz và tạọ ra một nguồn điện có cường độ khoảng 19 microamp. Với cường độ dòng điện này đủ để vận hành một màn hình hiển thị điện sắc in polymer.

Xem video về áp dụng của nhãn điện tử trong cuộc sống:

Một nhà khoa học vật liệu thuộc nhóm nghiên cứu tại Đại học Linköping, Norrköping, Thụy Điển cho biết: “Ý tưởng ban đầu là tạo ra một mã số bảo mật trên tờ tiền giấy.” Với ý tưởng này, họ đã vạch ra lý thuyết cơ bản để một chiếc điện thoại thông minh khi đặt gần một tờ tiền là có thể xác định được nhãn điện tử, sau đó thu nhận được những thông tin về mệnh giá của đồng tiền, nguồn gốc và các dấu hiệu chống tiền giả. Cũng bởi ý tưởng ban đầu như vậy nên công ty De La Rue của Anh cũng là một phần của nhóm nghiên cứu.

Nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra một nhãn điện tử có thể thu nhận năng lượng từ sóng di động để làm nguồn điện phục vụ cho hoạt động của mình. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu hiện phải tập trung vào việc tìm cách giảm chi phí cho đi-ốt. Các nhà khoa học cho biết, việc thay thế lớp Niobium Silicide sẽ là giải pháp hợp lý. Thay đổi này sẽ đẩy tần số hoạt động lên đến 2,4 GHz, phù hợp với tần số đang sử dụng trên các bộ định tuyến Wi-Fi và kết nối Bluetooth.