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日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所副教授能木雅也開發(fā)出了一種“透明紙”，該產(chǎn)品具有塑料薄膜及薄板玻璃等材料不具備的出色特性。能木副教授為了充分利用其特性，還開發(fā)出了又輕又薄、可折疊至很小的太陽能電池。此項研究的最終目標(biāo)是確立可在該透明紙上設(shè)置最尖端電子部件的印刷電子技術(shù)，從而創(chuàng)造出既輕又柔軟的新一代電子元器件。
可與芳綸纖維匹敵的高“強度”
“雖然乍看起來像薄膜，但事實上卻是一張透明紙。如果單單是透明、材質(zhì)便宜，人們只會認(rèn)為‘這個東西很有意思’，但該透明紙卻具有塑料薄膜和薄板玻璃等材料不具備的出色特性。”
能木雅也副教授在展示一張看起來沒有任何與眾不同之處的透明薄紙時，得意地這樣說道。
這種透明紙利用“纖維素納米纖維”制成，纖維素納米纖維是一種直徑為15納米的纖維，是對普通的非透明紙材料纖維素進(jìn)行細(xì)化加工而成，粗細(xì)僅為原來的千分之一。
纖維直徑為納米級的纖維素納米纖維具有相當(dāng)高的“強度”，可媲美號稱最強合成纖維、用于防彈背心的芳綸纖維，還具備極低的“熱膨脹率”，可與高純度石英玻璃相匹敵。
能木副教授認(rèn)為，如果使用這種纖維素納米纖維制作透明紙，或許可應(yīng)用于“印刷電子”這一最尖端的電子領(lǐng)域。例如，能夠制造出可折疊至很小、方便搬運、可在任何場所發(fā)電的太陽能電池等實際產(chǎn)品。
印刷電子是指嘗試?yán)糜∷⒓夹g(shù)制造液晶顯示器、有機(jī)EL顯示器及太陽能電池等電子元器件的電子技術(shù)。作為可實現(xiàn)節(jié)能及削減成本的技術(shù)而備受期待，目前已在部分領(lǐng)域開始應(yīng)用。
例如，制造半導(dǎo)體時，目前通常使用“光刻”這種方法。即以真空狀態(tài)，在500～800℃的高溫下將材料層疊在基板上，然后削除不要的部分。而如果使用印刷技術(shù)，就可在200℃左右的低溫下，只在基板所需的位置涂布材料。因此不會浪費材料，還可節(jié)能、削減環(huán)境負(fù)荷以及降低成本。并且，如果基板使用較薄且可彎曲的材料，還可實現(xiàn)電子元器件的柔性化及輕量化。還易于實現(xiàn)大面積化。
不過，難以直接使用原有的塑料薄膜。這是因為其耐熱溫度低于200℃，而且熱膨脹率較高。以納米單位精密地印刷電子電路和元件時，如果熱膨脹率較高、伸縮幅度較大，進(jìn)行調(diào)整的難度就會相應(yīng)提高。
而透明紙的熱分解溫度與普通紙張一樣，約為230℃，比塑料要高，而且透明紙的熱膨脹率與石英玻璃相當(dāng)。因此透明紙可與現(xiàn)有玻璃基板一樣，放在生產(chǎn)線上進(jìn)行加工。并且，纖維素納米纖維之間能以極高的密度形成氫鍵，因此透明紙具有可與碳纖維強化塑料相匹敵的高“彈性模量”，也就是說具有不易變形的特性。
總之，透明紙可以解決塑料薄膜存在的所有課題。并且與玻璃相比，又輕又薄，還不易碎。還可折疊成很小，方便攜帶。
關(guān)于透明紙的特點，能木副教授解釋說：“就相當(dāng)于利用木材制作出了可折疊的薄板玻璃。”
無縫隙層疊纖維素納米纖維
能木副教授產(chǎn)生使用纖維素納米纖維制作透明紙的想法是在2007年前后。
紙原本是指“從木材等植物中提取纖維素纖維，經(jīng)過敲打梳理，使其分散在水中，然后利用金屬絲網(wǎng)等進(jìn)行過濾，使其鋪展開來，以便平整地層疊在一起，最終瀝干水分后制成的片狀物”。
纖維表面存在帶負(fù)電荷的羥基，紙基本上就是通過這種羥基相互結(jié)合形成氫鍵而制成的。纖維之間并不是相互纏繞，而是通過氫鍵附著在一起。敲打梳理纖維是為了加大比表面積，增加相結(jié)合的羥基數(shù)量。
通常情況下，紙材料所用的纖維直徑約為15微米。層疊這種纖維后，纖維之間會形成無數(shù)的細(xì)小縫隙，從而形成多孔結(jié)構(gòu)。這樣會導(dǎo)致光散射，因此紙張是不透明的。換個通俗的說法，這與沒有空氣進(jìn)入的冰是透明的，而含有大量空氣的刨冰是白色的是一個道理。
能木副教授就著眼于這一點。他的思路是，如果密密麻麻無縫隙地層疊比光波長還微細(xì)的纖維素納米纖維，就不會發(fā)生光散射，因此應(yīng)該可以制作出透明紙。結(jié)果和預(yù)期一樣。2008年，能木副教授成功制作出了透明紙。
順便一提，從2003年到2009年，能木副教授在日本京都大學(xué)生存圈研究所矢野浩之教授的研究室作研究員，在這期間，他與同事阿部賢太郎助教成功地以機(jī)械方式提取出了纖維素納米纖維。
能木副教授的專業(yè)是研究樹木的林產(chǎn)學(xué)，在學(xué)生時代就曾到印度尼西亞等地的熱帶雨林進(jìn)行過實地考察。他正式開始研究纖維素納米纖維是在2003年進(jìn)入京都大學(xué)以后。
開發(fā)可折疊的太陽能電池
能木副教授成功制作出透明紙后，于2009年11月進(jìn)入大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所，在專攻尖端安裝材料的菅沼克昭教授的研究室任助教。2010年，作為透明紙的實用事例，在該研究所辛川誠助教的協(xié)助下，開始著手制作有機(jī)薄膜太陽能電池。
能木副教授與辛川助教利用透明紙制作的有機(jī)薄膜太陽能電池。
有機(jī)薄膜太陽能電池是實用化備受期待的新一代太陽能電池，正如其名字所示，在光電轉(zhuǎn)換層采用了有機(jī)化合物。由于以薄膜為基板，可使用印刷技術(shù)方便地進(jìn)行制造，因此與以往的結(jié)晶硅型太陽能電池相比，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且還具有又輕又薄、并可彎曲的特點。因此，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣，可進(jìn)行各種設(shè)計加工。
實際上，能木副教授在制作出透明紙時，還就制作太陽能電池，向幾位有機(jī)薄膜太陽能電池研究人員進(jìn)行了咨詢。但并沒有得到爽快的答復(fù)。
他們的意見是，全球正在推進(jìn)以塑料薄膜為基板的研發(fā)，為了提高能源轉(zhuǎn)換效率，研發(fā)競爭日益加速，在這一背景下，為什么要特意去使用毫不熟悉的新材料呢？
能木副教授回顧說：“辛川助教和我一樣，同是農(nóng)學(xué)系畢業(yè)，學(xué)的都是林產(chǎn)學(xué)專業(yè)。以前雖然曾在學(xué)會上見過面，但萬萬沒有想到他會在大阪大學(xué)的產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所，從事有機(jī)電子材料的研究。有次在走廊碰見時，禁不住和他說：‘我想用透明紙作基板，制作有機(jī)薄膜太陽能電池，你來幫我吧。’他隨即就表示，‘似乎很有趣。一定幫忙’。他之所以欣然同意，正是因為他熟知纖維素納米纖維的特性。我真幸運啊。”
非加熱、室溫沖壓的節(jié)能技術(shù)
現(xiàn)在，有機(jī)薄膜太陽能電池的基板使用的是耐熱性好、熱膨脹率低的玻璃，而透明電極使用的則是氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電膜。氧化銦錫透明導(dǎo)電膜不僅不耐彎折，還要使用稀有金屬銦。而且成膜使用的是高溫加熱的“濺射法”，成本昂貴，與不耐高溫的基板不相配。
針對這種情況，能木副教授等人使用透明紙作為基板，使用銀納米線透明導(dǎo)電膜作為透明電極，開發(fā)出了新型有機(jī)薄膜太陽能電池。銀納米線透明導(dǎo)電膜是利用印刷技術(shù)等，把摻有銀納米線的油墨均勻涂抹在基板上制成的導(dǎo)電薄膜，具有相當(dāng)好的柔性。
能木副教授說：“作為氧化銦錫透明導(dǎo)電膜的替代品，銀納米線透明導(dǎo)電膜雖然備受期待，但表面太過粗糙。如果應(yīng)用于薄膜厚度只有幾納米的有機(jī)電子元器件，很容易發(fā)生短路。因此，為了降低粗糙度，我試著自上而下進(jìn)行了強力沖壓。這雖說是外行的笨辦法，但也制成了光滑的銀納米線透明導(dǎo)電膜，從而我們得以成功試制出了有機(jī)薄膜太陽能電池。而且，這種方法屬于室溫沖壓，無需加熱，因此還可作為節(jié)能技術(shù)加以推進(jìn)。”
在普通的紙上印刷銀納米線透明導(dǎo)電膜后，紙張將能夠通電。
更令人高興的是，實驗結(jié)果證實，透明紙與銀納米線透明導(dǎo)電膜的粘著性明顯高于塑料薄膜與銀納米線透明導(dǎo)電膜的粘著性，更加耐折疊。這樣，就制成了又輕又薄、還可以折疊成小塊的太陽能電池。
今后，如果使用透明紙作為基板的有機(jī)薄膜太陽能電池實現(xiàn)實用化，將可應(yīng)用于相當(dāng)廣泛的用途，例如房間的壁紙和窗簾、服裝，甚至是需要折疊運輸?shù)暮教焯柲茈姵匕宓取?/span>
現(xiàn)在，在有機(jī)薄膜太陽能電池研發(fā)領(lǐng)域，研究人員開發(fā)出了許許多多的有機(jī)半導(dǎo)體材料，有些材料的能源轉(zhuǎn)換效率甚至超過了10％。與之相比，能木副教授等人開發(fā)的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率卻僅為3％左右，但轉(zhuǎn)換效率之所以低，原因在于使用的是標(biāo)準(zhǔn)材料，并不是因使用透明紙和銀納米線透明導(dǎo)電膜而使轉(zhuǎn)換效率下降。
能木副教授還介紹說：“而且，使用透明紙的太陽能電池即使反復(fù)折疊、展開，也不容易損壞，通過按照需要擴(kuò)大發(fā)電面積，可以彌補轉(zhuǎn)換效率低的不足之處。比方說，在徒步郊游時可以折小，隨身攜帶，到達(dá)山上后再展開使用。”
融合透明紙與印刷電子技術(shù)
不過，能木副教授本身是纖維素納米纖維的研究者。因此他希望將太陽能電池的研發(fā)交由這方面的專家負(fù)責(zé)。
最后，能木副教授笑著說道：“我的目標(biāo)是將透明紙與印刷電子技術(shù)融合起來，開發(fā)出環(huán)境負(fù)荷低的低溫電子制造技術(shù)，實現(xiàn)真正的低碳社會。建立起利用印刷技術(shù)在這種紙上安裝最尖端電子部件的技術(shù)，創(chuàng)造出既輕又柔軟的電子元器件。”
“透明紙”源于自然，是從“林產(chǎn)學(xué)”這一農(nóng)學(xué)領(lǐng)域誕生的嶄新技術(shù)成果。雖然實現(xiàn)普及還需要解決認(rèn)知、量產(chǎn)化等諸多課題，但我們殷切期待，這種新材料能夠與最尖端的電子技術(shù)相結(jié)合，為實現(xiàn)舒適、環(huán)境負(fù)荷更低的社會做出貢獻(xiàn)。
▲ 大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所纖維素納米纖維材料研究領(lǐng)域副教授能木雅也和他制作的“透明紙”。
可與芳綸纖維匹敵的高“強度”
“雖然乍看起來像薄膜，但事實上卻是一張透明紙。如果單單是透明、材質(zhì)便宜，人們只會認(rèn)為‘這個東西很有意思’，但該透明紙卻具有塑料薄膜和薄板玻璃等材料不具備的出色特性。”
能木雅也副教授在展示一張看起來沒有任何與眾不同之處的透明薄紙時，得意地這樣說道。
這種透明紙利用“纖維素納米纖維”制成，纖維素納米纖維是一種直徑為15納米的纖維，是對普通的非透明紙材料纖維素進(jìn)行細(xì)化加工而成，粗細(xì)僅為原來的千分之一。
纖維直徑為納米級的纖維素納米纖維具有相當(dāng)高的“強度”，可媲美號稱最強合成纖維、用于防彈背心的芳綸纖維，還具備極低的“熱膨脹率”，可與高純度石英玻璃相匹敵。
能木副教授認(rèn)為，如果使用這種纖維素納米纖維制作透明紙，或許可應(yīng)用于“印刷電子”這一最尖端的電子領(lǐng)域。例如，能夠制造出可折疊至很小、方便搬運、可在任何場所發(fā)電的太陽能電池等實際產(chǎn)品。
印刷電子是指嘗試?yán)糜∷⒓夹g(shù)制造液晶顯示器、有機(jī)EL顯示器及太陽能電池等電子元器件的電子技術(shù)。作為可實現(xiàn)節(jié)能及削減成本的技術(shù)而備受期待，目前已在部分領(lǐng)域開始應(yīng)用。
例如，制造半導(dǎo)體時，目前通常使用“光刻”這種方法。即以真空狀態(tài)，在500～800℃的高溫下將材料層疊在基板上，然后削除不要的部分。而如果使用印刷技術(shù)，就可在200℃左右的低溫下，只在基板所需的位置涂布材料。因此不會浪費材料，還可節(jié)能、削減環(huán)境負(fù)荷以及降低成本。并且，如果基板使用較薄且可彎曲的材料，還可實現(xiàn)電子元器件的柔性化及輕量化。還易于實現(xiàn)大面積化。
▲ 普通紙與透明紙。（提供：能木副教授）
不過，難以直接使用原有的塑料薄膜。這是因為其耐熱溫度低于200℃，而且熱膨脹率較高。以納米單位精密地印刷電子電路和元件時，如果熱膨脹率較高、伸縮幅度較大，進(jìn)行調(diào)整的難度就會相應(yīng)提高。
而透明紙的熱分解溫度與普通紙張一樣，約為230℃，比塑料要高，而且透明紙的熱膨脹率與石英玻璃相當(dāng)。因此透明紙可與現(xiàn)有玻璃基板一樣，放在生產(chǎn)線上進(jìn)行加工。并且，纖維素納米纖維之間能以極高的密度形成氫鍵，因此透明紙具有可與碳纖維強化塑料相匹敵的高“彈性模量”，也就是說具有不易變形的特性。
總之，透明紙可以解決塑料薄膜存在的所有課題。并且與玻璃相比，又輕又薄，還不易碎。還可折疊成很小，方便攜帶。
關(guān)于透明紙的特點，能木副教授解釋說：“就相當(dāng)于利用木材制作出了可折疊的薄板玻璃。”
無縫隙層疊纖維素納米纖維
能木副教授產(chǎn)生使用纖維素納米纖維制作透明紙的想法是在2007年前后。
紙原本是指“從木材等植物中提取纖維素纖維，經(jīng)過敲打梳理，使其分散在水中，然后利用金屬絲網(wǎng)等進(jìn)行過濾，使其鋪展開來，以便平整地層疊在一起，最終瀝干水分后制成的片狀物”。
纖維表面存在帶負(fù)電荷的羥基，紙基本上就是通過這種羥基相互結(jié)合形成氫鍵而制成的。纖維之間并不是相互纏繞，而是通過氫鍵附著在一起。敲打梳理纖維是為了加大比表面積，增加相結(jié)合的羥基數(shù)量。
通常情況下，紙材料所用的纖維直徑約為15微米。層疊這種纖維后，纖維之間會形成無數(shù)的細(xì)小縫隙，從而形成多孔結(jié)構(gòu)。這樣會導(dǎo)致光散射，因此紙張是不透明的。換個通俗的說法，這與沒有空氣進(jìn)入的冰是透明的，而含有大量空氣的刨冰是白色的是一個道理。
能木副教授就著眼于這一點。他的思路是，如果密密麻麻無縫隙地層疊比光波長還微細(xì)的纖維素納米纖維，就不會發(fā)生光散射，因此應(yīng)該可以制作出透明紙。結(jié)果和預(yù)期一樣。2008年，能木副教授成功制作出了透明紙。
順便一提，從2003年到2009年，能木副教授在日本京都大學(xué)生存圈研究所矢野浩之教授的研究室作研究員，在這期間，他與同事阿部賢太郎助教成功地以機(jī)械方式提取出了纖維素納米纖維。
能木副教授的專業(yè)是研究樹木的林產(chǎn)學(xué)，在學(xué)生時代就曾到印度尼西亞等地的熱帶雨林進(jìn)行過實地考察。他正式開始研究纖維素納米纖維是在2003年進(jìn)入京都大學(xué)以后。
開發(fā)可折疊的太陽能電池
能木副教授成功制作出透明紙后，于2009年11月進(jìn)入大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所，在專攻尖端安裝材料的菅沼克昭教授的研究室任助教。2010年，作為透明紙的實用事例，在該研究所辛川誠助教的協(xié)助下，開始著手制作有機(jī)薄膜太陽能電池。
能木副教授與辛川助教利用透明紙制作的有機(jī)薄膜太陽能電池。
有機(jī)薄膜太陽能電池是實用化備受期待的新一代太陽能電池，正如其名字所示，在光電轉(zhuǎn)換層采用了有機(jī)化合物。由于以薄膜為基板，可使用印刷技術(shù)方便地進(jìn)行制造，因此與以往的結(jié)晶硅型太陽能電池相比，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且還具有又輕又薄、并可彎曲的特點。因此，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣，可進(jìn)行各種設(shè)計加工。
實際上，能木副教授在制作出透明紙時，還就制作太陽能電池，向幾位有機(jī)薄膜太陽能電池研究人員進(jìn)行了咨詢。但并沒有得到爽快的答復(fù)。
他們的意見是，全球正在推進(jìn)以塑料薄膜為基板的研發(fā)，為了提高能源轉(zhuǎn)換效率，研發(fā)競爭日益加速，在這一背景下，為什么要特意去使用毫不熟悉的新材料呢？
能木副教授回顧說：“辛川助教和我一樣，同是農(nóng)學(xué)系畢業(yè)，學(xué)的都是林產(chǎn)學(xué)專業(yè)。以前雖然曾在學(xué)會上見過面，但萬萬沒有想到他會在大阪大學(xué)的產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所，從事有機(jī)電子材料的研究。有次在走廊碰見時，禁不住和他說：‘我想用透明紙作基板，制作有機(jī)薄膜太陽能電池，你來幫我吧。’他隨即就表示，‘似乎很有趣。一定幫忙’。他之所以欣然同意，正是因為他熟知纖維素納米纖維的特性。我真幸運啊。”
非加熱、室溫沖壓的節(jié)能技術(shù)
現(xiàn)在，有機(jī)薄膜太陽能電池的基板使用的是耐熱性好、熱膨脹率低的玻璃，而透明電極使用的則是氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電膜。氧化銦錫透明導(dǎo)電膜不僅不耐彎折，還要使用稀有金屬銦。而且成膜使用的是高溫加熱的“濺射法”，成本昂貴，與不耐高溫的基板不相配。
針對這種情況，能木副教授等人使用透明紙作為基板，使用銀納米線透明導(dǎo)電膜作為透明電極，開發(fā)出了新型有機(jī)薄膜太陽能電池。銀納米線透明導(dǎo)電膜是利用印刷技術(shù)等，把摻有銀納米線的油墨均勻涂抹在基板上制成的導(dǎo)電薄膜，具有相當(dāng)好的柔性。
能木副教授說：“作為氧化銦錫透明導(dǎo)電膜的替代品，銀納米線透明導(dǎo)電膜雖然備受期待，但表面太過粗糙。如果應(yīng)用于薄膜厚度只有幾納米的有機(jī)電子元器件，很容易發(fā)生短路。因此，為了降低粗糙度，我試著自上而下進(jìn)行了強力沖壓。這雖說是外行的笨辦法，但也制成了光滑的銀納米線透明導(dǎo)電膜，從而我們得以成功試制出了有機(jī)薄膜太陽能電池。而且，這種方法屬于室溫沖壓，無需加熱，因此還可作為節(jié)能技術(shù)加以推進(jìn)。”
在普通的紙上印刷銀納米線透明導(dǎo)電膜后，紙張將能夠通電。
更令人高興的是，實驗結(jié)果證實，透明紙與銀納米線透明導(dǎo)電膜的粘著性明顯高于塑料薄膜與銀納米線透明導(dǎo)電膜的粘著性，更加耐折疊。這樣，就制成了又輕又薄、還可以折疊成小塊的太陽能電池。
今后，如果使用透明紙作為基板的有機(jī)薄膜太陽能電池實現(xiàn)實用化，將可應(yīng)用于相當(dāng)廣泛的用途，例如房間的壁紙和窗簾、服裝，甚至是需要折疊運輸?shù)暮教焯柲茈姵匕宓取?/span>
現(xiàn)在，在有機(jī)薄膜太陽能電池研發(fā)領(lǐng)域，研究人員開發(fā)出了許許多多的有機(jī)半導(dǎo)體材料，有些材料的能源轉(zhuǎn)換效率甚至超過了10％。與之相比，能木副教授等人開發(fā)的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率卻僅為3％左右，但轉(zhuǎn)換效率之所以低，原因在于使用的是標(biāo)準(zhǔn)材料，并不是因使用透明紙和銀納米線透明導(dǎo)電膜而使轉(zhuǎn)換效率下降。
能木副教授還介紹說：“而且，使用透明紙的太陽能電池即使反復(fù)折疊、展開，也不容易損壞，通過按照需要擴(kuò)大發(fā)電面積，可以彌補轉(zhuǎn)換效率低的不足之處。比方說，在徒步郊游時可以折小，隨身攜帶，到達(dá)山上后再展開使用。”
融合透明紙與印刷電子技術(shù)
不過，能木副教授本身是纖維素納米纖維的研究者。因此他希望將太陽能電池的研發(fā)交由這方面的專家負(fù)責(zé)。
最后，能木副教授笑著說道：“我的目標(biāo)是將透明紙與印刷電子技術(shù)融合起來，開發(fā)出環(huán)境負(fù)荷低的低溫電子制造技術(shù)，實現(xiàn)真正的低碳社會。建立起利用印刷技術(shù)在這種紙上安裝最尖端電子部件的技術(shù)，創(chuàng)造出既輕又柔軟的電子元器件。”
“透明紙”源于自然，是從“林產(chǎn)學(xué)”這一農(nóng)學(xué)領(lǐng)域誕生的嶄新技術(shù)成果。雖然實現(xiàn)普及還需要解決認(rèn)知、量產(chǎn)化等諸多課題，但我們殷切期待，這種新材料能夠與最尖端的電子技術(shù)相結(jié)合，為實現(xiàn)舒適、環(huán)境負(fù)荷更低的社會做出貢獻(xiàn)。
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