Vraag &antwoord:ultrasnelle productie van draagbare sensoren

Ying Zhong, universitair docent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Zuid-Florida, en haar team hebben een nieuwe manier bedacht om draagbare sensoren te printen zonder polymeerbindmiddelen. Ze noemen hun product e-skin.

Tech Briefs :Wat bracht je op het idee om elektrostatische kracht te gebruiken voor het printen van flexibele sensoren?

Professor Ying Zhong: We hadden enkele medewerkers die flexibele apparaten maakten - ze drukten ze af met zeefdruk. Dat betekent dat je functionele poeders moet mengen met bindmiddelen, ze moet verwarmen en wachten tot ze droog zijn, wat lang duurt. We waren dus op zoek naar manieren om sneller te printen, zonder verhitten en drogen.

Ik had aan een ander interessant project gewerkt:corona-ontlading gebruiken om het oppervlak van polymeerfilms te behandelen. We realiseerden ons dat de corona een uniek type sterk elektrisch veld kon genereren dat we konden gebruiken om kleine voorwerpen op te tillen. Daardoor vroegen we ons af of het mogelijk zou zijn om droge poeders onder de film te plaatsen om de poeders rechtstreeks naar het substraat te trekken - we hebben het geprobeerd en het werkte.

We ontdekten een probleem en realiseerden ons dat een technologie waar we al aan werkten de oplossing zou kunnen zijn.

Tech Briefs: Ik denk dat dat de manier is waarop vooruitgang vaak plaatsvindt in technologie. Mijn volgende vraag is dat als de deeltjes eenmaal door het substraat worden aangetrokken, hoe worden ze daar vastgehouden?

Zhong: Zoals we in ons gepubliceerde artikel hebben beschreven, gebruiken we acht micrometer dikke medische tape, die een zelfklevende coating heeft om de deeltjes vast te houden. Het is zo dun dat je het niet voelt als je het op je huid plakt.

Tech Briefs: Hoe zou je verschillende soorten sensoren opnemen als je dit gaat maken?

Zhong: Deze printtechnologie is "universeel" - het kan verschillende soorten functionele materialen printen. We kunnen bijvoorbeeld grafeen of koolstofnanobuisjes (CNT's) gebruiken, die de soortelijke weerstand veranderen om de verandering in spanning weer te geven. Het werkingsmechanisme is dat spanning de afstand tussen de deeltjes verandert, waardoor een verandering in weerstand ontstaat die de grootte van de spanning in de sensor weerspiegelt.

We hebben ook melding gemaakt van een temperatuursensor op basis van thermochrome poeders in onze krant. Zoals ik al zei, dit is een universele printtechnologie - je kunt verschillende soorten functionele materialen printen. Nu laten we zien dat we temperatuurgevoelige tatoeages kunnen printen die van kleur veranderen als de temperatuur verandert. We proberen ook materialen te printen die gevoelig kunnen zijn voor vochtigheid en verschillende soorten gassen, zoals ammoniak, koolmonoxide en andere.

Tech Briefs: Heb je erover nagedacht hoe dit commercieel kan worden geïmplementeerd. Het lijkt mij dat je een heel ander soort 3D-printer zou moeten bouwen.

Zhong: Ja, we werken momenteel samen met Jabil, Inc. om een ​​roll-to-roll-systeem te bouwen, waarmee u apparaten op hoge snelheid kunt produceren. Omdat we geen bindmiddelen gebruiken, hoeven we niet te verwarmen en te wachten tot het materiaal droog is. Dat betekent dat we door dit roll-to-roll-systeem te gebruiken om te printen — om de elektrostatische kracht te genereren — flexibele apparaten en zelfs 3D-structuren kunnen produceren in een snel tempo en tegen lage kosten.

Tech Briefs: Is het moeilijk om de hoogspanning te genereren en te verwerken die nodig is om corona te produceren?

Zhong: Hoewel we 20 tot 30 kilovolt nodig hebben om de corona op te wekken, is de stroom erg laag, lager dan 0,1 mA — onze laboratoriumapparatuur gebruikt minder dan 2 watt aan stroom — het is zeer energiezuinig.

Tech Briefs: Is het een probleem om ervoor te zorgen dat de hoogspanning geen schade kan veroorzaken?

Zhong: Natuurlijk moet je het systeem beheren en alle omringende geleidende gebieden bedekken. Op basis van onze waarnemingen, zolang je de houder voor de elektrode bedekt met isolerende lagen, zou het heel goed moeten werken - daar hebben we niet al te veel problemen mee gehad.

Tech Briefs: Wat voor materiaal gebruik je voor de omslag?

Zhong: Voorlopig gebruiken we in ons lab gewoon isolatietapes. In de toekomst zijn we van plan om een ​​beter gecontroleerde oppervlaktecoating of isolerende houders te maken, wat gemakkelijk kan worden gedaan. We kunnen polymeren gebruiken om de coating te realiseren en 3D-printers om het prototype te maken. We hebben meerdere polymeergerelateerde projecten in mijn lab, dus dat zou makkelijk moeten zijn.

Tech Briefs: Heeft u naast uw "e-skin" belastingsensor nog andere toepassingen in gedachten?

Zhong: Ja, we hebben bijvoorbeeld met een bedrijf gesproken over het maken van slimme, spanningsgevoelige tapijten, wat praktisch wordt omdat de onze een zeer goedkope en ultrasnelle productietechnologie is die kan worden gebruikt om producten met een groot oppervlak te bedrukken. Het idee is om tapijt te produceren dat kan identificeren hoeveel mensen erop staan. U kunt dan bijvoorbeeld het energieverbruik van het HVAC-systeem aanpassen op basis van het aantal bewoners in een ruimte.

Ook werken we samen met een collega aan een aanvraag voor lichamelijke revalidatie. Onze collega werkt met mensen die moeite hebben met het beheersen van het gedrag van hun benen. Omdat onze sensor ultradun is, is hij erg comfortabel en kun je hem groot genoeg maken om te dragen. Dat kan worden gebruikt om hen te helpen identificeren hoe ze het gedrag van hun benen beter kunnen beheersen.

Er zijn veel mogelijke toekomstige toepassingen. Je zou het bijvoorbeeld aan de hand van een robot kunnen bevestigen. Als je wilt dat het iets oppakt, kan het voelen hoeveel druk er wordt uitgeoefend en met hoeveel gebied het in contact is.

Tech Briefs: Heeft u een ruwe schatting wanneer dit klaar zou kunnen zijn voor commercieel gebruik?

Zhong: Op dit moment werken we samen met Jabil om een ​​klein roll-to-roll-systeem op te zetten in ons lab. Als het goed werkt, zetten we het op in Jabil en helpen we ze sensoren te maken in grote aantallen of grote maten. Dat kan drie tot vijf jaar duren, maar vooral in deze tijd is het moeilijk te voorspellen.

Een bewerkte versie van dit interview verscheen in de Tech Briefs van januari 2022.