คีย์บอร์ดกระดาษยืดหยุ่นสูงที่ทำสามารถกำเนิดพลังงานเองได้

          เทคโนโลยี IoT ถือว่าเป็นเทคโนโลยีที่มาแรงในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ประกอบในระบบนี้มักจำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอกซึ่งมีราคาสูงและน้ำหนักมาก ทำให้ไม่สะดวกในการใช้ซ้ำและพกพาไปตามที่ต่าง ๆ แหล่งพลังงานส่วนมากนิยมใช้แบตเตอรี่ ซึ่งไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ทำให้มีการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถผลิตพลังงานใช้ได้ด้วยตนเอง (Self-powered electronics) ตามหลักการเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectricity) และไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectricity) [2] ซึ่งปัจจุบันได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้อย่างสูงในการประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ตามหลักการเหล่านี้ในเชิงปฏิบัติ ยกตัวอย่างเช่น ใช้สังเกตการณ์สุขภาพ และผลิตพลังงานจากเสื้อผ้าสวมใส่ เป็นต้น [3] 


          วัสดุที่ถูกนำมาใช้สร้างเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานขนาดเล็กไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric nanogenerator, TENG) มักจะสร้างจากพอลิเมอร์สังเคราะห์ (Synthetic polymer) ดังเช่น Polyvinylidene fluoride (หรือ PVDF) และ Polydimethylsiloxane (หรือ PDMS) เนื่องจากสามารถกำเนิดประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวได้มาก มีความยืดหยุ่นสูง และสามารถปรับแต่งคุณสมบัติได้อย่างหลากหลาย อย่างไรก็ตามพอลิเมอร์เหล่านี้ เมื่อเสื่อมสภาพลง จะกลายเป็นขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ รวมถึงก่อให้เกิดสารพิษเจือปนกับสิ่งแวดล้อม ในปัจจุบัน จึงมีการพัฒนาวัสดุธรรมชาติ ดังเช่น กระดาษเซลลูโลส ที่มีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากว่า ให้เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้น


          กระดาษเซลลูโลสมักถูกนำไปปรับแต่งคุณสมบัติผ่านกระบวนการเคลือบและการทำคอมโพสิตร่วมกับวัสดุฟังก์ชันนอลขนาดนาโนให้แสดงคุณสมบัติไฟฟ้า/อิเล็กทรอนิกส์เด่นชัดขึ้น [4,5] ยกตัวอย่างเช่น งานวิจัยของผู้เขียน [4] ที่ได้นำแผ่นนาโนของไททาเนียมไดออกไซด์และอนุภาคนาโนของเงินไปเคลือบลงบนแผ่นกระดาษเซลลูโลส ผลการทดลองพบว่าแผ่นกระดาษนี้เมื่อนำไปจับคู่สัมผัสกับแผ่นอะลูมิเนียม สามารถผลิตแรงดันและกระแสไฟฟ้าขาออกได้มากกว่ากระดาษเซลลูโลสทั่วไปถึง 50 เท่า นอกจากนั้น งานวิจัยของ Kim และคณะ [5] ได้นำเส้นใยนาโนของเงินไปผสมในลักษณะคอมโพสิตร่วมกับเส้นใยเซลลูโลส ผลการทดลองที่ได้ก็เป็นที่น่าพอใจเช่นเดียวกัน โดยอุปกรณ์ TENG ที่สร้างโดยแผ่นกระดาษคอมโพสิตนี้ สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าขาออกได้สูงสุด 600 mW/m² 


          จากตัวอย่างแรงบันดาลใจเหล่านี้ จึงมีการนำกระดาษเซลลูโลสอิเล็กทรอนิกส์มาประยุกต์ใช้งานให้เห็นภาพชัดเจนยิ่งขึ้น โดยเมื่อปี 2020 กลุ่มวิจัยจากมหาวิทยาลัย Purdue สหรัฐอเมริกา [6] ได้สร้างคีย์บอร์ดอิเล็กทรอนิกส์ที่มีคุณสมบัติเด่นในด้านการผลิตไฟฟ้าและสามารถทำความสะอาดได้ง่าย นักวิจัยได้เริ่มต้นจากการนำสารละลายกลุ่มฟลูออริเนทไซเลน (Fluorinated silane) มาพ่นลงบนกระดาษเซลลูโลส เพื่อให้พื้นผิวของกระดาษมีความไม่ชอบน้ำ (Hydrophobicity) หลังจากนั้น นักวิจัยได้ทำการพ่นอนุภาคเทฟล่อน (Polytetrafluoroethylene หรือ Teflon) ลงบนหน้ากากที่ทำลวดลายวงจรอิเล็กทรอนิกส์และปิดทับลงบนกระดาษอีกชั้นหนึ่ง การพ่นลักษณะนี้จะเป็นการเลือกพื้นที่สัมผัสไทรโบอิเล็กทริกบนกระดาษที่จะใช้สร้างเป็นตำแหน่งต่าง ๆ บนคีย์บอร์ดได้ สำหรับการสร้างอิเล็กโทรดโลหะ นักวิจัยได้ทำการพ่นอนุภาคนาโนของนิกเกิลลงบนลวดลายนี้อีกด้วย เมื่อทำการลอกหน้ากากลวดลายออก และทำการพิมพ์ลวดลายด้วยหมึกลงบนหน้ากระดาษอีกด้านหนึ่ง เราจะได้คีย์บอร์ดที่ทำจากกระดาษอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและสามารถทำความสะอาดได้ง่าย เนื่องจากความลื่นบนพื้นผิว           กระดาษอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างได้นี้ สามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าขาออกได้สูงถึง 165 V และ 60 mA ตามลำดับ ในขนาดอุปกรณ์ที่มีพื้นที่การสัมผัสเพียงประมาณ 6 cm² ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการสร้างได้ทั้งอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานและเซนเซอร์ ในการทดสอบเชิงปฏิบัติ นักวิจัยได้ทดสอบคุณสมบัติการทำความสะอาด ด้วยการทดลองหยดสารเคมี รวมถึงฝุ่นละอองลงบนแผ่นกระดาษ ผลการทดลองพบว่าแผ่นกระดาษนี้สามารถเช็ดทำความสะอาดได้ง่ายมาก โดยใช้แค่กระดาษทิชชู่เพียงแผ่นเดียว นอกจากนั้น นักวิจัยได้นำแผ่นกระดาษอิเล็กทรอนิกส์ไปทดการสอบการกดตามตำแหน่งเลขต่าง ๆ ที่ปรากฏบนคีย์บอร์ด พบว่าคีย์บอร์ดอิเล็กทรอนิกส์สามารถแสดงค่าตัวเลขได้จริงบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ ด้วยการตอบสนองที่รวดเร็ว 

          จากงานวิจัยนี้ เราจะเห็นว่ากระดาษอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างได้มีสมรรถนะสูงมาก มีต้นทุนการสร้างที่ต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถสร้างจำนวนมากได้ ซึ่งอาจสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างหลากหลายไม่เพียงแค่ใช้เป็นคีย์บอร์ด ยกตัวอย่างเช่น การสร้างเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถผลิตพลังงานได้ด้วยตนเองและสวมใส่ตามร่างกายได้ ซึ่งเมื่อเสื่อมอายุการใช้งานลง สามารถทำลายทิ้ง โดยไม่เป็นเป็นปัญหาต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามแนวคิดของกระดาษอิเล็กทรอนิกส์ยังไม่มีการจำหน่ายจริงตามท้องตลาด ซึ่งด้วยคุณสมบัติเด่นที่เห็นตามงานวิจัยนี้ ผู้เขียนเชื่อว่า ในอนาคตอันใกล้ เราอาจจะได้เห็นจำหน่ายจริงก็เป็นไปได้ 

 

อ้างอิง

• [1] Example image obtained from https://www.sciencenewsforstudents.org/article/ordinary-paper-turns-into-flexible-human-powered-keypad (สืบค้นเมื่อ 21 กรกฏาคม พ.ศ. 2564)
• [2] S. Niu, and Z. L. Wang, Theoretical systems of triboelectric nanogenerators, Nano Energy 14 (2015), 161-192.
• [3] S. Khalid et al., A Review of Human-Powered Energy Harvesting for Smart Electronics: Recent Progress and Challenges, Int. J. Precis. Eng. Manuf. 6 (2019), 821-851.
• [4] S. Sriphan et al., Multifunctional Nanomaterials Modification of Cellulose Paper for Efficient Triboelectric Nanogenerators, Adv. Mater. Technol. 5 (2020), 2000001.
• [5] I. Kim et al., All-in-one cellulose based triboelectric nanogenerator for electronic paper using simple filtration process, Nano Energy 53 (2018), 975-981.
• [6] M. S. de Medeiros et al., Moisture-insensitive, self-powered paper-based flexible electronics, Nano Energy 78 (2020), 105301.