如果下一代一次性电子产品——食品包装上的传感器、诊所里的诊断试纸、农田中的环境监测节点——不再依赖硅片或塑料基板，而是直接印在超市就能买到的一张纸上，会是什么样子？

这一设想正在变成现实。宾汉姆顿大学生物电子与微系统实验室的研究团队，在电气与计算机工程系崔锡勋（Seokheun “Sean” Choi）教授带领下，开发出一项新制造工艺：利用标准二氧化碳激光，在商业羊皮纸上直接“书写”电子电路。这种羊皮纸本质上是带有硅胶涂层的烘焙纸，在全球家庭厨房中十分常见。

相关成果已被《ACS Applied Materials & Interfaces》（《ACS应用材料与界面》）接收发表。

激光在纸上“写”出电路

羊皮纸表面覆盖一层薄薄的硅胶，因此天然疏水、防水。研究团队通过精确控制激光照射，在预定图案区域选择性去除这层涂层，暴露出内部亲水的纤维素纤维。这样在纸上形成了微小的亲水通道。

随后，水基导电墨水沿着这些激光刻写出的通道自动铺展和填充，在指定位置形成电阻器、电容器、互连线，甚至完整的模拟滤波电路——所有元件都集成在一张羊皮纸上。

崔锡勋解释说：“激光本质上是在一个原本不润湿的表面上写入了润湿性。激光扫过的地方，纸张就能吸收并固定我们的功能性墨水；没有被激光处理的区域，硅胶涂层则继续充当天然绝缘层。”

十年“纸电子学”积累

这项工作源自崔锡勋实验室十余年来对“纸电子学”的持续探索。纸电子学是一个以纸张为基底构建电子器件的新兴方向。自加入宾汉姆顿大学以来，他一直是这一领域的早期推动者之一，围绕一个核心问题展开研究：在一次性、单次使用的电子设备中，纸能否替代硅和塑料？

最初的突破来自纸基生物电池。2015年，团队制备出首个纸基电池——一种可折叠、形似火柴盒的装置，利用细菌发电。这个原型随后催生了一系列新设计：忍者镖形折纸电池、用于应急诊断的唾液激活生物电池、由汗液驱动的可穿戴能量采集器，甚至是可在人体肠道内工作的可吞服胶囊生物电池。

与此同时，实验室还开发了多种纸基生物传感器，用于现场诊断、抗生素敏感性测试以及环境监测，这些系统同样由环境中的细菌供能。

“我一直的长期目标，是做出一个完整的、自供电的一次性纸基电子系统。”崔锡勋说，“我们先解决了电源——生物电池，然后是传感器。最后缺的那一块，就是把所有组件连接起来的电路本身：电阻、电容和互连线。”

2024年，这块“拼图”首次被补上。团队展示了首个完全集成的纸基电路板：在一张色谱纸上，通过蜡印图案引导墨水沉积，实现了可调电阻、电容和晶体管的集成。这项成果发表在《Advanced Sustainable Systems》（《先进可持续系统》）上，证明了纸基电路板的可行性。

但这种蜡印方法也暴露出明显限制：用于定义电路图形的蜡障碍在加热时会发生扩散，导致最小特征尺寸被限制在约 1 毫米级别。电路整体尺寸因此只能做到厘米量级，难以满足许多实际应用对小型化的需求。

激光工艺突破分辨率瓶颈

新的激光方法正是为了解决这一分辨率瓶颈。研究团队不再使用亲水的色谱纸配合疏水蜡障，而是反过来，从整体疏水的羊皮纸出发，用激光在其上“刻”出局部亲水通道。制造思路被彻底颠倒：从“画出不润湿区域”变成“写入可润湿路径”。

借助这一策略，电路特征尺寸被压缩到约 250 微米宽、300 微米间距，比此前基于蜡的最佳方案提升了两到三倍。这样的分辨率足以将完整的滤波电路从厘米级缩小到毫米级占板面积。

“我们不仅提高了分辨率，更是改变了分辨率由什么来决定。”崔锡勋指出，“在蜡工艺中，你必须和熔融蜡在纸纤维中扩散的物理过程‘对抗’。而在激光工艺中，图案直接由激光光斑尺寸决定，并且严格局限在照射区域——没有扩散、没有边界模糊，也就没有不确定性。”

团队利用这一平台，在纸上制备出一整套基础电子元件：

• 通过调整导电墨水配方，可将电阻值在三个数量级范围内调节的电阻器；
• 片电阻低至约 1 欧姆/平方的互连线，其性能可与刚性电子系统中的金属走线相媲美；
• 电容值从微法级到毫法级可调的电容器；
• 低通和高通 RC 滤波器，其频率响应与理论模型高度吻合。

可降解、可封装的绿色电路

在材料选择上，研究团队坚持使用水基功能墨水，不涉及有毒金属或有机溶剂。由此制备的纸基电路可以自然降解：在土壤环境中数周内即可分解；如果需要快速处理，也可以在数秒内焚烧成灰。

对于需要更长使用寿命的场景，可以在电路表面再覆上一层薄薄的硅胶封装，以抵御湿气和机械损伤。实验表明，这种封装不会显著影响电性能，却能明显延长器件的使用周期。

从实验室走向应用

崔锡勋近期在期刊《Device》上发表观点文章，系统梳理了纸电子学和纸流体学两个新兴领域的发展，并提出它们走向融合、构建智能纸基系统的路线图。他指出，目前纸电子学与纸流体学大多各自发展，而两者结合有望催生一类全新的自供电、自感知、一次性设备，在医疗健康、食品安全和环境监测等领域具有广阔前景。

本次激光羊皮纸电路研究由 2025 届博士扎赫拉·拉菲（Zahra Rafiee）和在读博士张若涵（Ruohan Zhang）主导，两人均来自崔锡勋的生物电子与微系统实验室。

“想象一下，一块能实时监测伤口感染情况并无线通知手机的绷带，用完后直接丢进堆肥箱。”崔锡勋举例说，“或者一张在整个供应链中记录温度和湿度的运输标签，最终在垃圾填埋场自然降解。这正是我们努力的方向。”