Geprinte elektronica: Flexibele, laagkostige innovatie voor de toekomst

Laagkostige fabricage van printbare elektronica

De behoefte aan laagkostige en milieuvriendelijke processen voor het fabriceren van printbare elektronica en biosensor chips groeit snel. NASA heeft een unieke benadering ontwikkeld voor een op atmosferische druk plasma-gebaseerd proces voor het fabriceren van printbare elektronica en functionele coatings. Dit systeem omvat aerosol-ondersteunde, kamertemperatuur printing waarbij een aerosol die het gewenste materiaal voor depositie draagt, wordt geïntroduceerd in een koude plasma straal die op atmosferische druk werkt.

De depositie is het resultaat van de interactie van de aerosol met de voorlopermateriaal met de atmosferische druk plasma die een primaire gas bevat. Aerosol-ondersteunde plasmadepositie is een hoge-doorvoer en gemakkelijk proces voor printen en patroneren dat eenvoudig schaalbaar is voor industriële productie. Meerdere stralen kunnen gebruikt worden voor het depositieren van verschillende materialen, en de benadering kan aangepast worden aan een verscheidenheid aan platforms.

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

"Stempelen" van elektronica met koolstofnanotubes

Stel je voedselverpakking voor die een digitale waarschuwing toont dat het voedsel bijna bedorven is, of een raam in je huis dat de weersvoorspelling toont op basis van metingen van temperatuur en vochtigheid buiten.

Ingenieurs van MIT vonden een snelle, nauwkeurige printproces die dergelijke elektronische oppervlakken mogelijk kan maken. Het team ontwikkelde een stempel gemaakt van koolstofnanotubes die elektronische inkt op harde en flexibele oppervlakken kan printen. Het proces zou transistoren klein genoeg moeten kunnen printen om individuele pixels in high-resolution displays en touchscreens te controleren. Het proces biedt ook een relatief goedkope, snelle manier om andere elektronische oppervlakken te fabriceren.

Omdat technieken zoals inkjetprinten moeilijk te controleren zijn op zeer kleine schalen, produceren ze vaak "koffie ring" patronen waar inkt over de randen loopt, of oneffen prints die tot onvolledige circuits leiden. De nieuwe techniek gebruikt een nanoporeuze stempel die een oplossing van nanopartikelen, of "inkt," uniform door de stempel en op het te printen oppervlak laat vloeien.

De koolstofnanotubes worden gekweekt op een siliciumoppervlak in diverse patronen, waaronder honingraat-achtige hexagonen en bloemvormige ontwerpen. De nanotubes zijn bedekt met een dunne polymerlaag om ervoor te zorgen dat de inkt door de hele nanotubes penetreert, en de niet krimpen na het stampen. De stempel wordt vervolgens geïmpregneerd met een klein volume elektronische inkt met nanopartikelen zoals zilver, zinkoxide, of semiconductor quantum dots.

De sleutel tot het printen van nauwkeurige, hoge-resolutie patronen zit in de hoeveelheid druk die toegepast wordt om de inkt te stampen. Een model werd ontwikkeld om de benodigde kracht te voorspellen om een egaal laagje inkt op een substraat te stampen, en de concentratie nanopartikelen in de inkt. Na het stampen van inktpatronen van diverse ontwerpen, testte het team de elektrische geleiding van de geprinte patronen. Na verwarmen van de ontwerpen na het stampen, waren de geprinte patronen hoog geleidend, en konden dienen als hoge-prestatie transparante elektroden. Voor de toekomst plannet het team de mogelijkheid van volledig geprinte elektronica na te streven.

Met laser behandelde geprinte grafiet voor papieren elektronica

De grafiet koolstof honingraat is slechts een atoom dik, geleidt elektriciteit en warmte, en is sterk en stabiel. Recente projecten die inkjetprinters gebruikten om multi-laag grafiet circuits en elektroden te printen, hebben geleid tot grafiet's gebruik voor flexibele, draagbare, laagkostige elektronica. Maar eenmaal geprint, moet de grafiet behandeld worden om de elektrische geleiding en apparaatprestaties te verbeteren, wat meestal hoge temperaturen of chemicaliën betekent die flexibele of wegwerpbare printoppervlakken zoals plastic films of zelfs papier kunnen degraden.

Onderzoekers van Iowa State University ontwikkelden een methode die lasers gebruikt om de grafiet te behandelen. Door inkjet-geprinte, multi-laag grafiet elektrische circuits en elektroden te behandelen met een gepulste laserproces, werd de elektrische geleiding verbeterd zonder papier, polymeren, of andere kwetsbare printoppervlakken te beschadigen.

De inkjet-geprinte grafiet wordt getransformeerd in een geleidend materiaal capabel van te worden gebruikt in nieuwe toepassingen zoals sensoren met biologische toepassingen, energielageringssystemen, elektrische geleidende componenten, en papier-gebaseerde elektronica.

De ingenieurs ontwikkelden computer-gecontroleerde lasertechnologie die selectief inkjet-geprinte grafietoxide bestraalt. De behandeling verwijdert inktbinders en reduceert grafietoxide tot grafiet, fysiek duizenden kleine grafietvlokken samen naaien. Het proces maakt de elektrische geleiding meer dan duizend keer beter. De gelokaliseerde laserverwerking verandert ook de vorm en structuur van de geprinte grafiet van een vlak oppervlak naar een met opgeworpen, 3D nanostrukturen die lijken op kleine bloemblaadjes die van het oppervlak rijzen. De ruwe en geribbelde structuur verhoogt de electrochemische reactiviteit van de grafiet, wat het nuttig maakt voor chemische en biologische sensoren.

Het werk baant de weg voor de creatie van laagkostige en wegwerpbare grafiet-gebaseerde electrochemische elektroden voor toepassingen inclusief sensoren, biosensoren, brandstofcellen, en medische apparaten.

Elektronische apparaten "geprint" met magnetische inkt

Ingenieurs van de Universiteit van Californië San Diego (UCSD) ontwikkelden een magnetische inkt die gebruikt kan worden om zelfherstellende batterijen, electrochemische sensoren, en draagbare, textiel-gebaseerde elektrische circuits te maken. De inkt bestaat uit micropartikelen georiënteerd in een bepaalde configuratie door een magneetveld dat deeltjes aan beide kanten van een scheur magnetisch aantrekt, wat een met de inkt geprint apparaat laat helen. De apparaten herstellen scheuren zo breed als 3 millimeters.

Bestaande zelfherstellende materialen vereisen een externe trigger om het helingsproces te starten. Ze nemen ook tussen een paar minuten tot meerdere dagen. Het nieuwe systeem vereist geen buitenste katalysator om te werken, en schade wordt gerepareerd binnen ongeveer 0.05 seconde.

De inkt werd gebruikt om batterijen, electrochemische sensoren, en draagbare, textiel-gebaseerde elektrische circuits te printen. Vervolgens werden de apparaten beschadigd door ze te snijden en uit elkaar te trekken om steeds wijdere gaten te creëren. De apparaten heelden zichzelf nog steeds en herstelden hun functie terwijl ze een minimum aan geleiding verloren.

Een zelfherstellend circuit werd geprint op de mouw van een T-shirt en verbonden met een LED licht en een muntbatterij. Het circuit en de stof waarop het geprint was, werden allebei gesneden. Op dat moment ging het LED uit. Binnen een paar seconden begon het LED weer aan te gaan als de twee kanten van het circuit weer bij elkaar kwamen en zichzelf heelden, de geleiding herstellend. In de toekomst verbeeldingen ingenieurs het maken van verschillende inktten met verschillende ingrediënten voor een breed scala aan toepassingen.

Bronnen

• www.nasa.gov/centers/ames
• www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink
• https://news.mit.edu
• https://www.news.iastate.edu/news