LED trên đầu ngón tay

Ma trận kết hợp gồm các LED và các bộ dò quang tạo thành găng tay có thể cho bạn biết đầu ngón tay của bạn đang chạm gần bao nhiêu so với vật tiếp xúc. Nói chung, các dụng cụ như thế cho phép các bộ cảm biến cự li làm việc trong nước muối, nước xà phòng, và thủy dịch trong cơ thể sinh vật. (Ảnh: John Rogers)

Các diode phát quang – hay LED – đã được ứng dụng trong đèn tín hiệu giao thông, màn hình ti vi và các bóng đèn hết sức hiệu quả năng lượng. Và có thể chẳng bao lâu nữa nó còn được dùng trong các công nghệ y khoa như làm găng tay cảm biến cự li, chỉ phẫu thuật và các máy theo dõi dòng tĩnh mạch, nhờ sự nỗ lực của đội nghiên cứu quốc tế, đứng đầu là John Rogers ở trường đại học Illinois, Urbana Champaign.

Nhắm tới những ứng dụng này, Rogers và các đồng nghiệp của ông đã khai thác một kĩ thuật in mới để tạo ra những ma trận đèn LED đỏ hết sức nhỏ trên một chất nền dẻo.

Giống như việc sản xuất LED thông thường, việc chế tạo dụng cụ bắt đầu bằng cách cho lắng một chồng gồm các lớp hợp chất bán dẫn lên trên một chất nền. Các lớp dưới và trên, tương ứng, có sự dư thừa và thiếu electron, và kẹp giữa chúng là một lớp chỉ dày vài nano mét, gọi là một giếng lượng tử. Khi thiết lập một điện áp trên toàn bộ cấu trúc, các electron và các đối tác dương của chúng, gọi là các lỗ trống, bị lái vào giếng, tại đó chúng kết hợp với nhau để phát ra ánh sáng.

LED thường được chế tạo bằng cách cưa các bánh xốp thành hàng nghìn con chip hình vuông. Để ngăn không cho chúng quá mỏng manh, các rìa của chúng ít nhất phải là 300 µm – vẫn còn quá dài để tạo ra các ma trận linh hoạt trên các tấm plastic.

Đủ nhỏ để linh hoạt

Để tạo ra các LED có các cạnh chỉ 50 µm, Rogers và các cộng sự của ông đã định hình diện tích chip với kĩ thuật quang khắc và khắc acid. Sau đó, một kĩ thuật ion sẽ đưa các ma trận LED này vào những chất nền xen kẽ, trong đó chúng tiếp xúc điện và mắc nối tiếp với nhau.

“In là một phần quan trọng của quá trình trên”, Rogers nói. “Chúng tôi đã phát triển kĩ thuật đó đến một mức độ tinh vi rất cao, và hiện nay chúng tôi đã thu được hiệu quả hơn 99% và độ chính xác khoảng một micron”.

Trong khi các chất hữu cơ phát quang có thể về căn bản làm đơn giản hóa quá trình chế tạo LED trên một chất nền dẻo, nhưng các chất hữu cơ có những nhược điểm khác nữa. “Độ sáng của chúng không thể sánh với các LED vô cơ, và việc gói gọn chúng để tránh phô ra trước các mức độ ẩm và oxygen là cực kì khó khăn”, Rogers giải thích.

Ánh sáng phát ra từ một ma trận 6x6 LED không bị ảnh hưởng bởi sự kéo căng xung quanh một ngòi bút chì. (Ảnh: John Rogers)

Kéo căng, uốn, xoắn và bẻ cong

Để kiểm tra tính bền của các ma trận LED nhỏ xíu của mình, đội khoa học đã làm chúng biến dạng và theo dõi các thay đổi về hiệu suất. “Chúng tôi có thể xem xét hầu như mọi kiểu biến dạng – thậm chí với các giá trị cực độ của lực kéo, uốn, xoắn, gấp – lên tới 100.000 chu kì hoặc hơn nữa”. Một sức mạnh nữa của quá trình in trên là nó có thể tạo ra các ma trận LED trên nhiều chất nền đa dạng, như plastic, cao su, lá nhôm, giấy và thậm chí cả lá cây.

Để chứng minh cho những công dụng tiềm năng của các ma trận LED nhỏ xíu, các nhà nghiên cứu đã gắn chúng vào một cái ống để cung cấp một nguồn sáng cho một dụng cụ y khoa đo hàm lượng glucose phân phối trong tĩnh mạch.

Một ứng dụng nữa cho những ma trận này là kĩ thuật khâu y khoa. Người ta không thể in các dụng cụ lên trên một sợi chỉ, nhưng có thể gắn chúng vào bằng cách cuộn chất liệu này lên một chất mang thủy tinh có đính các LED đỏ. Các mũi khâu tích hợp những bộ phát quang nhỏ xíu này có thể đưa vào trong con chuột gây mê. Theo đội nghiên cứu, việc đưa thêm LED vào chỉ phẫu thuật mang lại nhiều lợi ích cùng lúc: tăng tốc độ hàn; thắp sáng mô nằm sâu bên trong; và cơ hội theo dõi sự oxy hóa của máu.

Thắp sáng đầu ngón tay của bạn

Các ma trận LED còn có thể sử dụng trong các đầu ngón tay của găng tay để tạo ra các bộ cảm biến cự li nhằm hỗ trợ cho các hệ thống rô bôt hoặc cho các thủ tục y khoa. Để làm như vậy, các nhà nghiên cứu đã tích hợp những con LED nhỏ xíu với các bộ dò quang có cùng kích thước. Điều này cho phép khoảng cách đến một vật lân cận được xác định thông qua các phép đo cường độ của ánh sáng tán xạ ngược.

Rogers cho biết một công ti khởi nghiệp, MC10, hiện đang nhắm tới việc thương mại hóa một số công nghệ của đội nghiên cứu của ông.

“Từ phương diện khoa học và vật liệu, chúng tôi hiện đang làm việc để bổ sung thêm các ý tưởng có liên quan với các LED lam và LED tử ngoại, để mở rộng thêm chức năng”.

Nguồn: physiscsworld.com