En transistor på papper

Thomas Kugler tar fram ett tjockt papper. Han klipper det i formen av ett T. Så gör han ett snitt med en skalpell. Till sist lägger han på en genomskinlig smörja, en litet trögflytande lösning. Det är allt som behövs för att bygga en transistor. Hela hemligheten ligger på papperet, det är belagt med ett skikt av en särskild plast.

Vi prövar genom att först mäta motståndet i papperstransistorn. Det är lågt, som sig bör. Så tar Thomas fram ett vanligt batteri, lägger på en spänning. Bortsett från att plasten blir blå kan vi nu mäta moståndet igen, och det har ökat radikalt. Transistorn fungerar.

Experimentet var inte planerat. Det genomfördes för att Thomas Kugler inte hittade vad han egentligen ville visa: en transistor i plast tryckt på papper. Men experimentet visar hur enkel den nya tekniken är.

Till skillnad från transistorerna som finns i dagens integrerade kretsar är papperstransistorn helt platt, tvådimensionell. Den tar litet större utrymme men är nödvändigt eftersom papprets skrovliga yta inte är lämplig för arbete i tre dimensioner. Fördelen är att man slipper flera lager och därmed kan trycka transistorn i ett enda moment.

Forskaren bakom transistorn är David Nilsson, doktorand vid Linköpings universitet. Thomas Kugler arbetar på forskningsföretaget Acreo tillsammans med Magnus Berggren, och båda är handledare för David Nilsson. Kopplingen mellan universitetet och Acreo är snarare regel än undantag. Acreos lokaler i Norrköping används både av företaget och inom elektronikutbildningen vid Linköpings universitet. Acreo bildades 1999 genom att Institutet för optisk forskning och Industriellt mikroelektronikcentrum gick samman till ett företag.

Transistorn är ett tydligt tecken på att Acreo är bland de främsta i världen inom ett helt nytt område: papperselektronik. Man trycker på papper, på cellulosa, med plast, ledande och halvledande polymerer. Billig och snabb tryckteknik med ett slags smart bläck.Inte alla som talar om elektroniskt papper menar elektronik på papper. Det kan också vara elektronik i mer traditionell bemärkelse som fås att efterlikna papper. IBM har t ex tagit fram en prototyp med en helt böjlig bildskärm i plast som ser ut som papper. Det är en mycket lovande teknik, men den har ett helt annat syfte och ett annat, betydligt högre pris.

– Vägen mot enkel och billig elektronik är en naturlig utveckling, menar Mårten Armgarth, försäljningschef på Acreo och tidigare projektansvarig för elektronik på papper. Han menar att det är dags att elektroniken följer samma utveckling som trycktekniken och papperstillverkningen har följt. I dag tillverkas elektroniska kretsar inte löpande utan stegvis. Varje kiselplatta går igenom upp till 50 olika moment innan kretsen är färdigetsad. Detsamma gällde förr vid papperstillverkning och papperstryck. I dag kan man trycka och tillverka papper på rullande banor. Man har gått från satsvis tillverkning och tjänat i kostnad och hastighet, men förlorat i precision och kvalitet.

– Vi närmar oss de verkliga elektroniska motorvägarna, säger Mårten Armgarth. Vid Bravikens pappersbruk tillverkas papper i 120 kilometer i timmen på 9 meters bredd. Visionen är att tillverka elektronik i samma höga fart, på samma stora yta och till samma låga pris.

Mårten Armgarth målar upp nya möjligheter med slit- och slängelektroniken.Tänk dig ett mjölkpaket som saknar den vanliga datumstämpeln. I stället finns där en liten display, där det kanske står ”Mjölken hållbar i ytterligare 5 dagar”. Texten har skapats av en liten dator som tryckts på mjölkpaketet. Datorn har två sensorer, en som känner temperatur och en som känner mjölkens surhetsgrad. Utifrån dessa kan datorn räkna ut hur länge mjölken kommer att vara fräsch. Detta visar den sedan på displayen, som också är tryckt med vanlig tryckteknik.

Här krävs inte bara papperstransistorer och plast som kan ändra färg, utan också tryckta sensorer. Det är ett område som man inte kommit lika långt med, även om temperatur- eller surhetskänslig plast inte är märkvärdig i sig.

En mjölkpaketsdator vore fullt möjlig också med dagens teknik, men den skulle bli på tok för dyr. Även om kostnaderna för ett datorchips sjunkit dramatiskt så är ett mjölkpaket för runt 7 kronor inte lämpat för annat än mycket billig elektronik. Acreo har satt målet till 10 kronor per kvadratmeter tryckt elektronik. Dessutom ska plasten som används vara miljövänlig.

Experimentet med bildskärmen visar på det område där man kommit längst. Det går i dag att trycka tidtabeller som t ex ändrar sig när bussen är försenad, eller som ändrar tiderna när det blir sommartid. De trycks med plasttryckfärg på papper, i en vanlig tryckpress på vanligt papper. Men med smart bläck i dagens bästa tryckpressar skulle man kunna göra mycket mer än så.

En normal skrivare i dag presterar omkring 40 punkter per millimeter (1 000 dpi). Det finns dock skrivare som presterar 400 punkter per millimeter (10 000 dpi). Det ger en finhet på kretsarna som motsvarar vad man klarade på kisel på 1980-talet. En bra tryckpress kan trycka 4 sidor per sekund med den kvaliteten. Rent teoretiskt skulle det gå att trycka motsvarande en pentiumprocessor på 2 A4-sidor, men i praktiken är det knappast möjligt och antagligen inte ens önskvärt. Elektroniken är inte till för mobiltelefoner eller persondatorer, utan för betydligt enklare produkter.

Acreo forskar på två typer av smart bläck, dels det bistabila som minns vilken färg det hade, dels det dynamiska, som reagerar fortare, men inte minns. Fördelen med det långsammare bläcket är att det blir strömsnålare och tåligare. Man behöver bara skicka ström en gång genom bläcket för att tala om vad som ska visas, sedan behålls informationen under en längre tid. Man siktar på att bläcket ska kunna minnas sin färg i timmar, i dag håller den några minuter. Och det tar cirka en sekund att få bläcket att ändra färg.

Projektet stöds av bl a de stora pappersföretagen SCA, M-Real och Stora Enso, av förpackningsföretaget Tetrapak och av Agfa, som tjänar pengar på att göra papper med avancerade, och dyra, ytor. Papper med fotokvalitet för bläckstråleskrivare är ett exempel.Också med i projektet är industriföretaget ITAB, som tillverkar butiksutrustning, plast och elektronik. För dem kan man se stora möjligheter inom papperselektroniken. Billigare smarta hyllkantsetiketter, som kanske själva känner vilka varor som står på hyllan och talar om deras pris. Man kan också tänka sig smarta streckkoder på varornas förpackningar. Tänk om förpackningarna kunde förses med billiga sändare som talar om när och hur förpackningen lämnar butiken. Det skulle betyda att du packar dina varor i plastkassarna direkt när du går runt i affären, och aldrig behöver ta upp dem när du passerar kassören. Där står redan hur mycket du är skyldig.

För att lyckas med detta forskar man inom Acreo också på billig radioteknik för papper: sändare och mottagare i papper. Liksom för mjölkpaketen med aktiv datumstämpel är priset även här den kritiska faktorn. De smarta förpackningarna som kan sända radiosignaler får inte kosta mycket mer än de vanliga.

Tillsammans med displayer och sensorer utgör radiokommunikation ett tredje prioriterat område för papperselektronik. Totalt är det 14 forskare inom projektet och förhoppningsvis ser vi snart mer spännande produkter än en enkel transistor.