Mikrobaterie integrovaná na čipu otevírá cestu miniaturizaci
Vše integrovat na jednom malém čipu - to je cíl dnešní elektroniky, kterému prozatím vzdorovaly výkonné baterie. Vědci z Illionoiské univerzity v Urbana-Champaign však nedávno vytvořili jen 2 milimetry širokou, klasicky vypadající a vzhledem k rozměrům i silnou lithium-iontovou mikrobaterii, pracující v těsné integraci s čipem, který napájí.
Základní tvar mikrobaterie a jejích elektrod vznikl aplikací standardní dvojrozměrné fotolitografie. Uvnitř objemu samotné mikrobaterie přitom vědci vyrobili holografický trojrozměrný vzor, který určuje vnitřní strukturu elektrod. Elektrody byly vytvořeny z oxidu lithno-manganitého (LiMnO2) a slitiny niklu a cínu (NiSn). Tento vzor mohl vzniknout pomocí speciální metody zvané holografická 3D litografie. Pro funkci a efektivitu mikrobaterie bylo velmi důležité, aby měla vnitřní struktura elektrod přesný tvar a aby bylo dosaženo určité velikosti povrchu dutin, stupně poréznosti a “křivolakosti” vnitřních kanálků. Výsledkem je relativně velmi výkonná baterie, která při tloušťce 10 mikrometrů a ploše 4 milimetry čtvereční umí rozsvítit běžnou LED diodu, pomocí špičkového proudu 500 mikroampérů a výbojové kapacity 600 coulombů.
Holografická 3D litografie
Metoda holografické 3D litografie umožňuje snadno řídit všechny strukturní parametry. Na rozdíl od jednoduché fotolitografie zde zpravidla účinkuje více světelných laserových paprsků, které se uvnitř cílové oblasti sestávající z materiálu fotorezist kříží a interferují spolu, načež se buď zesilují nebo zeslabují. Tak lze kontrolovat, která místa v daném objemu materiálu zůstanou a která budou vyříznuta. Odborníci však použili i zde pro vytvoření primárního 3D “lešení“ nakonec zjednodušené jednopaprskové fotolitografické metody.
Integrace baterií na čipu poskytuje velké možnosti pro vývojáře v oblasti nositelné elektroniky, internetu věcí, malých autonomních senzorů a tzv. chytrého prachu. Nemluvě o lékařských bioimplantátech. I dosavadní sebemenší a sebeintegrovanější čipy totiž musely být často napájeny velkou externí baterií, což poněkud úroveň miniaturizace devalvovalo. Pokud byly baterie umístěny na čipu, musely být tenkovrstvé, což se negativně podepisovalo na jejich výkonnosti. Baterie byly zkrátka “úzkým hrdlem” procesu miniaturizace a integrace původně samostatných součástek do jednoho malého čipu.
Zdroje: Phys.Org, Proceedings of the National Academy of Sciences, ExtremeTech, IEEE Spectrum 1, IEEE Spectrum 2
Více z pořadu
E-shop Českého rozhlasu
Kdo jste vy? Klára, nebo učitel?
Tereza Kostková, moderátorka ČRo Dvojka
Jak Klára obrátila všechno vzhůru nohama
Knížka režiséra a herce Jakuba Nvoty v překladu Terezy Kostkové předkládá malým i velkým čtenářům dialogy malé Kláry a učitele o světě, který se dá vnímat docela jinak, než jak se píše v učebnicích.
