Tragbare Sensoren revolutionieren: Ultra-schnelle, binderfreie Fertigung mit elektrostatischem Druck

Ying Zhong, Assistant Professor für Maschinenbau an der University of South Florida, und ihr Team haben einen neuen Weg erfunden, tragbare Sensoren ohne Polymerbinder zu drucken. Sie nennen ihr Produkt E-Skin.

Tech Briefs: Was gab Ihnen die Idee, elektrostatische Kraft für den Druck flexibler Sensoren zu nutzen?

Professor Ying Zhong: Wir hatten einige Kooperationspartner, die flexible Geräte herstellten – sie druckten sie mit Siebdruck. Das bedeutet, man muss funktionale Pulver mit Bindern mischen, sie erhitzen und auf das Trocknen warten, was lange dauert. Also suchten wir nach Wegen, schneller zu drucken, ohne Erhitzen und Trocknen.

Ich hatte an einem anderen interessanten Projekt gearbeitet: Koronaentladung zur Behandlung der Oberfläche von Polymerfilmen. Wir erkannten, dass die Korona ein einzigartiges, starkes elektrisches Feld erzeugen kann, das wir nutzen könnten, um kleine Objekte anzuheben. Das brachte uns auf die Idee, ob es möglich wäre, trockene Pulver unter den Film zu legen, um die Pulver direkt auf das Substrat anzuziehen – wir probierten es aus und es funktionierte.

Wir entdeckten ein Problem und erkannten, dass eine Technologie, an der wir bereits arbeiteten, die Lösung sein könnte.

Tech Briefs: Ich glaube, so passiert Fortschritt oft in der Technologie. Meine nächste Frage: Sobald die Partikel vom Substrat angezogen sind, wie werden sie dort gehalten?

Zhong: Wie in unserem veröffentlichten Papier beschrieben, verwenden wir acht Mikrometer dickes medizinisches Klebeband, das eine Klebeschicht hat, um die Partikel zu halten. Es ist so dünn, dass man es beim Aufkleben auf die Haut nicht spürt.

Tech Briefs: Wie würden Sie verschiedene Sensorarten bei der Herstellung integrieren?

Zhong: Diese Drucktechnologie ist „universell“ – sie kann verschiedene Arten funktionaler Materialien drucken. So können wir beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) verwenden, die ihren Widerstand ändern, um die Änderung der Dehnung widerzuspiegeln. Der Wirkmechanismus ist, dass Dehnung den Abstand zwischen den Partikeln ändert, was einen Widerstandsänderung verursacht, die die Dehnungsgröße im Sensor widerspiegelt.

Wir haben auch einen Temperatursensor basierend auf thermochromen Pulvern in unserem Papier berichtet. Wie gesagt, dies ist eine universelle Drucktechnologie – Sie können verschiedene Arten funktionaler Materialien drucken. Jetzt demonstrieren wir, dass wir temperaturempfindliche Tattoos drucken können, die ihre Farbe ändern, wenn sich die Temperatur ändert. Wir versuchen auch, Materialien zu drucken, die empfindlich auf Feuchtigkeit und verschiedene Gase wie Ammoniak, Kohlenmonoxid und andere reagieren.

Tech Briefs: Haben Sie darüber nachgedacht, wie dies kommerziell umgesetzt werden könnte? Es scheint mir, man müsste einen ganz anderen 3D-Drucker bauen.

Zhong: Ja, wir arbeiten derzeit mit Jabil Inc. zusammen, um ein Roll-to-Roll-System zu bauen, das die Herstellung von Geräten mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Da wir keine Binder verwenden, müssen wir keine Wärme anwenden und dann auf das Trocknen des Materials warten. Das bedeutet, dass wir durch die Nutzung dieses Roll-to-Roll-Systems zum Drucken – zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft – flexible Geräte und sogar 3D-Strukturen mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kosten herstellen können.

Tech Briefs: Ist es schwierig, die hohe Spannung zu erzeugen und zu handhaben, die für die Korona notwendig ist?

Zhong: Obwohl wir 20 bis 30 Kilovolt benötigen, um die Korona zu erzeugen, ist der Strom sehr niedrig, unter 0,1 mA – unsere Laborausrüstung verbraucht weniger als 2 Watt – es ist sehr energieeffizient.

Tech Briefs: Ist es ein Problem, sicherzustellen, dass die hohe Spannung keinen Schaden verursacht?

Zhong: Nun, natürlich muss man das System managen und alle umliegenden leitenden Bereiche abdecken. Basierend auf unseren Beobachtungen funktioniert es sehr gut, solange man den Halter für die Elektrode mit isolierenden Schichten abdeckt – wir hatten damit nicht allzu viele Probleme.

Tech Briefs: Welches Material verwenden Sie für die Abdeckung?

Zhong: Für jetzt verwenden wir in unserem Labor einfach Isolierbänder. In Zukunft planen wir, eine besser kontrollierte Oberflächenbeschichtung oder isolierende Halter zu schaffen, was leicht machbar ist. Wir können Polymere für die Beschichtung nutzen und 3D-Drucker für den Prototypenbau. Wir haben mehrere Polymer-bezogene Projekte in meinem Labor, also sollte das einfach sein.

Tech Briefs: Haben Sie noch andere Anwendungen im Kopf neben Ihrem „E-Skin“-Dehnungssensor?

Zhong: Ja, zum Beispiel haben wir mit einem Unternehmen über intelligente dehnungssensierende Teppiche gesprochen, was praktisch wird, weil unsere Technologie eine sehr kostengünstige und ultra-schnelle Fertigung ermöglicht, die für großflächige Produkte genutzt werden kann. Die Idee ist, Teppich herzustellen, der erkennen könnte, wie viele Personen darauf stehen. Man könnte dann beispielsweise den Energieverbrauch der HLK-Anlage basierend auf der Anzahl der Personen in einem Raum anpassen.

Wir arbeiten auch mit einem Kollegen an einer Anwendung für physikalische Rehabilitation. Unser Kollege arbeitet mit Menschen, die Schwierigkeiten haben, das Verhalten ihrer Beine zu kontrollieren. Da unser Sensor ultra-dünn ist, ist er sehr bequem und man kann ihn groß genug machen, um ihn zu tragen. Das könnte ihnen helfen, zu erkennen, wie sie das Verhalten ihrer Beine besser kontrollieren können.

Es gibt viele mögliche zukünftige Anwendungen. Zum Beispiel könnte man es an die Hand eines Roboters anbringen. Wenn man möchte, dass es etwas aufhebt, könnte es spüren, wie viel Druck ausgeübt wird und wie groß der Kontaktbereich ist.

Tech Briefs: Haben Sie eine grobe Schätzung, wann dies kommerziell einsatzbereit sein könnte?

Zhong: Derzeit arbeiten wir mit Jabil daran, ein kleines Roll-to-Roll-System in unserem Labor einzurichten. Wenn es gut funktioniert, werden wir es bei Jabil einrichten und ihnen helfen, Sensoren in großen Stückzahlen oder Größen herzustellen. Das könnte drei bis fünf Jahre dauern, aber besonders heutzutage ist es schwer, vorherzusagen.

Eine bearbeitete Version dieses Interviews erschien in der Januar-2022-Ausgabe von Tech Briefs.