Бумажные цепи: гибкая эстетическая электроника для арт-проектов

Традиционные печатные платы — жёсткий фольгированный стеклотекстолит, не всегда удобный. Для арт-проектов (открытки, картины, рисунки) нужна гибкая основа. Гибкие PCB (flex PCB) сложнее и дороже. Бумажные цепи — простое, дешёвое, эстетичное решение.

Что такое бумажная цепь?

Рабочая электронная схема на бумаге. Сочетает эстетику и функциональность, используя техники изобразительного искусства.

Источник: Wikimedia Commons

Как сделать бумажную цепь? 4 этапа

1. Создание трасс (проводников)

Трассы — медные пути для соединения компонентов. В бумажных цепях: медная лента, проводящая краска, проводящие чернила.

Медная лента (Copper Tape)

Самый доступный вариант. Допускает пайку (в отличие от красок/чернил).

Источник: Wikimedia Commons

Медная фольга — дешёвая, ширина 5 мм – 2 дюйма. Тканевая лента (медь + кобальт + никель) — выдерживает изгибы без разрыва.

Правила работы с лентой:

• Наклеивайте, прижимая по маршруту
• Оставляйте промежутки под компоненты (не клейте сплошной лентой между компонентами)
• Углы: аккуратные склады или разрез + пайка
• Медная фольга: пайка или прозрачная лента на выводах
• Тканевая лента: проводящий клей или шитьё проводящей нитью

Проводящая краска (Conductive Paint)

Художественный подход: пузырёк/кисть, извилистые трассы.

Источник: Flickr

Краска клеит компоненты к трассе. Минусы: грязно, долгое высыхание.

Инструкция:

• Эскиз карандашом/маркером
• Клей для компонентов
• Мелкие детали — пинцет
• Наносить краску по трассам и на выводы
• Высушить перед тестом

Проводящие чернила (Conductive Ink)

Ручки с проводящими чернилами (Circuit Scribe, AgIC). Быстро сохнут, но фиксация компонентов сложнее.

Инструкция:

• Эскиз карандашом/стенсилем
• При проектировании на ПК: контуры заливки, а не линии (чернила не держатся на тонере)
• Аккуратно прочерчивайте ручкой
• Крупные контактные площадки, сплошные линии между компонентами
• Фиксация: проводящий клей, стикеры Circuit Stickers, лента

2. Выбор компонентов

Зависит от типа трассы.

Выводные компоненты (Through-Hole)

LED, резисторы, диоды — длинные выводы. Выводы гнут для увеличения контакта с лентой/краской.

Источник: Wikimedia Commons

Подходят для: тканевая лента, медная лента, проводящая краска.

SMD компоненты (Surface Mount)

Низкий профиль — идеально для открыток. Сложнее в монтаже.

Источник: Wikimedia Commons

Для: проводящая краска, медная лента, проводящие чернила.

LilyPad компоненты

Низкий профиль, большие контактные площадки — идеально для бумаги.

Источник: Wikimedia Commons

Для: тканевая лента, медная лента.

Circuit Stickers (Chibitronics)

Стикеры с проводящим клеем — просто наклеить на бумагу.

Источник: Flickr

Дороже, но удобны. Работают с краской, медной/тканевой лентой.

Circuit Scribe Modules

Магнитные, требуют металлическую подложку за бумагой для временного контакта.

3. Монтаж соединений (5 способов)

• Пайка — только на медной ленте (стикеры, THT, SMD, LilyPad)
• Прозрачная лента — THT/SMD на медной ленте
• Z-axis лента — двусторонняя давлением, для крупных контактов, медная лента, чернила на больших площадях
• Проводящая краска — холодная пайка при высыхании, THT/SMD, негибкие поверхности
• Проводящий эпоксид/клей — дорого, долго сушится, иногда нужен нагрев. Универсален: чернила, лента, все типы компонентов

4. Питание проекта

Элемент питания — монетная батарея (CR2032). Сложность — держатель. Варианты: самодельный холдер, готовый модуль, батарея с лапками.

Источник: Wikimedia Commons

Научные достижения в бумажных PCB

Исследования привели к прозрачной нанобумаге (cellulose nanopaper) — аналог подложки flex PCB.

Процесс плазменной металлизации превращает бумагу в паяемую печатную плату, позволяет печатать память на целлюлозной подложке.

Свойства бумаги как подложки

Пористость → чернила впитываются, сегментируются. Синтеринг дестабилизирует бумагу.

Решение: физическое осаждение из паровой фазы (PVD) на всех этапах фабрикации.

Physical Vapor Deposition (PVD)

Конденсация материала из паровой фазы в тонкую плёнку (атомарный уровень). Плазменная разрядная или высокотемпературная вакуумная камера. Давление переносит пар на бумагу → конденсация → тонкое покрытие.

Источник: Wikimedia Commons

Покрытие — твёрдый проводник (например, Al₂O₃) → стабильные воспроизводимые мемористоры с отличными электрическими свойствами.

Плазменная металлизация

Плазменный брызгиватель наносит порошковый проводник на основу, покрытую серебряной пастой. Горячая плазма расплавляет и сплавает слои → высокопроводящая подложка.

Бумажные PCB — будущие приложения

Наука не стоит на месте. Перспективы: складные, стрижаемые, 3D бумажные схемы для медицины, военной сферы, биоразлагаемые PCB для промышленности.

Область бумажных PCB перспективна. Хотите узнать больше? Свяжитесь с экспертами.