Gedrukte elektronica:flexibele, goedkope innovatie voor morgen

Goedkope printbare elektronicafabricage

De behoefte aan goedkope en milieuvriendelijke processen voor het vervaardigen van printbare elektronica en biosensorchips groeit snel. NASA heeft een unieke aanpak ontwikkeld voor een op atmosferische druk gebaseerd plasmaproces voor het vervaardigen van printbare elektronica en functionele coatings. Dit systeem maakt gebruik van aërosolondersteund printen op kamertemperatuur, waarbij een aërosol met het gewenste materiaal voor afzetting wordt ingebracht in een koude plasmastraal die werkt bij atmosferische druk.

MIT-onderzoekers vervaardigden een stempel gemaakt van koolstofnanobuisjes die elektronische inkt op stijve en flexibele oppervlakken drukt. (Sanha Kim en Dhanushkodi Mariappan)

De afzetting is het resultaat van de interactie van de aerosol die het precursormateriaal bevat met het plasma onder atmosferische druk dat een primair gas bevat. Aërosolondersteunde plasmadepositie is een eenvoudig proces met hoge doorvoer voor printen en patroonvorming dat gemakkelijk schaalbaar is voor industriële productie. Er kunnen meerdere jets worden gebruikt voor het neerleggen van verschillende materialen, en de aanpak kan worden aangepast aan verschillende platforms.

Commerciële toepassingen voor het systeem omvatten biomedische technologie, consumentenelektronica, e-paper, beveiliging en communicatie.

Elektronika 'stempelen' met behulp van nanobuisjes

Iowa State-onderzoekers Suprem Das (links) en Jonathan Claussen gebruiken lasers om gedrukte grafeen-elektronica te behandelen, zoals die gedrukt op een vel papier. (Christopher Gannon)

Stel je een voedselverpakking voor die een digitale waarschuwing weergeeft dat het voedsel op het punt staat te bederven, of een raam in je huis waarop de weersvoorspelling wordt weergegeven op basis van metingen van de temperatuur en de luchtvochtigheid buiten.

Ingenieurs van MIT hebben een snel, nauwkeurig printproces uitgevonden dat deze elektronische oppervlakken mogelijk zou kunnen maken. Het team ontwikkelde een stempel gemaakt van koolstofnanobuisjes die elektronische inkt op stijve en flexibele oppervlakken kan printen. Het proces zou transistors moeten kunnen printen die klein genoeg zijn om individuele pixels in beeldschermen en touchscreens met hoge resolutie te besturen. Het proces kan ook een relatief goedkope, snelle manier bieden om andere elektronische oppervlakken te vervaardigen.

Omdat technieken zoals inkjetprinten op zeer kleine schaal moeilijk te controleren zijn, hebben ze de neiging 'koffiering'-patronen te produceren waarbij inkt over de randen morst, of ongelijkmatige afdrukken die tot onvolledige circuits kunnen leiden. De nieuwe techniek maakt gebruik van een nanoporeuze stempel waarmee een oplossing van nanodeeltjes, of “inkt”, gelijkmatig door de stempel kan stromen en op welk oppervlak dan ook moet worden afgedrukt.

De koolstofnanobuisjes worden in verschillende patronen op een oppervlak van silicium gekweekt, waaronder honingraatachtige zeshoeken en bloemvormige ontwerpen. De nanobuisjes zijn bedekt met een dunne polymeerlaag om ervoor te zorgen dat de inkt door de nanobuisjes zou dringen en dat de nanobuisjes niet zouden krimpen nadat de inkt was gestempeld. De stempel wordt vervolgens doordrenkt met een kleine hoeveelheid elektronische inkt die nanodeeltjes bevat, zoals zilver, zinkoxide of halfgeleider-kwantumdots.

De sleutel tot het printen van nauwkeurige patronen met hoge resolutie ligt in de hoeveelheid druk die wordt uitgeoefend om de inkt te stempelen. Er is een model ontwikkeld om de hoeveelheid kracht te voorspellen die nodig is om een ​​gelijkmatige laag inkt op een substraat te stempelen, en de concentratie van nanodeeltjes in de inkt. Na het stempelen van inktpatronen van verschillende ontwerpen testte het team de elektrische geleidbaarheid van de gedrukte patronen. Na het verwarmen van de ontwerpen na het stempelen waren de gedrukte patronen zeer geleidend en konden ze dienen als hoogwaardige transparante elektroden. In de toekomst is het team van plan de mogelijkheid van volledig geprinte elektronica na te streven.

Geprint grafeen behandeld met lasers maakt papierelektronica mogelijk

Een zelfherstellend circuit, gedrukt op de mouw van een T-shirt, was verbonden met een LED-lampje en een knoopcelbatterij. Het circuit en de stof waarop het was gedrukt, werden beide doorgesneden, waarna de LED uitging. Binnen een paar seconden ging de LED weer aan toen de twee kanten van het circuit weer bij elkaar kwamen en zichzelf genas.

De grafeen-koolstofhoningraat is slechts een atoom dik, geleidt elektriciteit en warmte en is sterk en stabiel. Recente projecten waarbij inkjetprinters werden gebruikt om meerlaagse grafeencircuits en elektroden te printen, hebben geleid tot het gebruik van grafeen voor flexibele, draagbare en goedkope elektronica. Maar eenmaal geprint moet het grafeen worden behandeld om de elektrische geleidbaarheid en de prestaties van het apparaat te verbeteren, wat meestal gepaard gaat met hoge temperaturen of chemicaliën die flexibele of wegwerpbare printoppervlakken zoals plastic films of zelfs papier kunnen aantasten.

Onderzoekers van de Iowa State University ontwikkelden een methode waarbij lasers worden gebruikt om het grafeen te behandelen. Door met inkjet geprinte, meerlaagse elektrische circuits en elektroden van grafeen te behandelen met een gepulseerd laserproces, werd de elektrische geleidbaarheid verbeterd zonder papier, polymeren of andere kwetsbare printoppervlakken te beschadigen.

Het met inkjet geprinte grafeen wordt omgezet in een geleidend materiaal dat kan worden gebruikt in nieuwe toepassingen zoals sensoren met biologische toepassingen, energieopslagsystemen, elektrisch geleidende componenten en op papier gebaseerde elektronica.

De ingenieurs ontwikkelden computergestuurde lasertechnologie die selectief met inkjet bedrukt grafeenoxide bestraalt. De behandeling verwijdert inktbindmiddelen en reduceert grafeenoxide tot grafeen, waardoor miljoenen kleine grafeenvlokken fysiek aan elkaar worden gehecht. Het proces maakt de elektrische geleidbaarheid meer dan duizend keer beter. De gelokaliseerde laserverwerking verandert ook de vorm en structuur van het geprinte grafeen van een plat oppervlak naar een oppervlak met verhoogde 3D-nanostructuren die lijken op kleine bloemblaadjes die uit het oppervlak oprijzen. De ruwe en geribbelde structuur verhoogt de elektrochemische reactiviteit van het grafeen, waardoor het bruikbaar wordt voor chemische en biologische sensoren.

Het werk maakt de weg vrij voor de creatie van goedkope en wegwerpbare elektrochemische elektrochemische elektroden op basis van grafeen voor toepassingen zoals sensoren, biosensoren, brandstofcellen en medische apparaten.

Elektronische apparaten “bedrukt” met magnetische inkt

Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD) hebben een magnetische inkt ontwikkeld die kan worden gebruikt voor het maken van zelfherstellende batterijen, elektrochemische sensoren en draagbare, op textiel gebaseerde elektrische circuits. De inkt is gemaakt van microdeeltjes die in een bepaalde configuratie zijn georiënteerd door een magnetisch veld waardoor deeltjes aan beide zijden van een scheur magnetisch tot elkaar worden aangetrokken, waardoor een met de inkt bedrukt apparaat zichzelf geneest. De apparaten repareren scheuren tot 3 millimeter breed.

Bestaande zelfherstellende materialen hebben een externe trigger nodig om het genezingsproces op gang te brengen. Het duurt ook enkele minuten tot meerdere dagen voordat ze werken. Het nieuwe systeem heeft geen externe katalysator nodig om te werken, en schade wordt binnen ongeveer 0,05 seconde gerepareerd.

De inkt werd gebruikt om batterijen, elektrochemische sensoren en draagbare, op textiel gebaseerde elektrische circuits te printen. Vervolgens werden de apparaten beschadigd door ze door te snijden en uit elkaar te trekken, waardoor er steeds grotere gaten ontstonden. De apparaten herstelden zichzelf nog steeds en herstelden hun functie, terwijl ze een minimale hoeveelheid geleidbaarheid verloren.

Op de mouw van een T-shirt werd een zelfherstellend circuit gedrukt en verbonden met een LED-lampje en een knoopcelbatterij. Het circuit en de stof waarop het is gedrukt, zijn beide gesneden. Op dat moment ging de LED uit. Binnen een paar seconden begon de LED weer aan te gaan toen de twee kanten van het circuit weer bij elkaar kwamen en zichzelf genas, waardoor de geleidbaarheid werd hersteld. In de toekomst willen ingenieurs verschillende inkten maken met verschillende ingrediënten voor een breed scala aan toepassingen.

Bronnen

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

http://news.mit.edu 

http://www.news.iastate.edu/news