Fragen und Antworten:Ultraschnelle Herstellung tragbarer Sensoren

Ying Zhong, Assistenzprofessorin für Maschinenbau an der University of South Florida, und ihr Team haben eine neue Methode entwickelt, um tragbare Sensoren ohne Polymerbindemittel zu drucken. Sie nennen ihr Produkt E-Skin.

Technische Informationen :Wie kamen Sie auf die Idee, elektrostatische Kraft zum Drucken flexibler Sensoren zu nutzen?

Professorin Ying Zhong: Wir hatten einige Mitarbeiter, die flexible Geräte herstellten und sie mit Siebdruck druckten. Das heißt, man muss funktionelle Pulver mit Bindemitteln mischen, sie erhitzen und warten, bis sie getrocknet sind, was lange dauert. Also suchten wir nach Möglichkeiten, schneller zu drucken, ohne Erhitzen und Trocknen.

Ich hatte an einem anderen interessanten Projekt gearbeitet:der Verwendung von Koronaentladung zur Behandlung der Oberfläche von Polymerfolien. Wir haben erkannt, dass die Korona ein einzigartiges starkes elektrisches Feld erzeugen kann, mit dem wir kleine Objekte anheben können. Das veranlasste uns zu der Frage, ob es möglich wäre, Trockenpulver unter die Folie zu legen, um das Pulver direkt auf das Substrat zu locken – wir haben es versucht und es hat funktioniert.

Wir haben ein Problem entdeckt und festgestellt, dass eine Technologie, an der wir bereits arbeiten, die Lösung sein könnte.

Technische Informationen: Ich denke, so kommt es in der Technik oft zu Fortschritten. Meine nächste Frage lautet:Sobald die Partikel vom Substrat angezogen werden, wie werden sie dort gehalten?

Zhong: Wie wir in unserem veröffentlichten Artikel beschrieben haben, verwenden wir ein medizinisches Klebeband mit einer Dicke von acht Mikrometern, das mit einer Klebebeschichtung versehen ist, um die Partikel zu halten. Es ist so dünn, dass Sie es nicht spüren werden, wenn Sie es auf Ihre Haut kleben.

Technische Informationen: Wie würden Sie verschiedene Arten von Sensoren integrieren, wenn Sie dies herstellen?

Zhong: Diese Drucktechnologie ist „universal“ – sie kann verschiedene Arten von Funktionsmaterialien drucken. So können wir beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) verwenden, die den spezifischen Widerstand ändern, um die Änderung der Dehnung widerzuspiegeln. Der Wirkmechanismus besteht darin, dass die Dehnung den Abstand zwischen den Partikeln ändert, was eine Widerstandsänderung verursacht, die die Größe der Dehnung im Sensor widerspiegelt.

Wir haben in unserer Veröffentlichung auch über einen Temperatursensor auf der Basis von thermochromen Pulvern berichtet. Wie gesagt, dies ist eine universelle Drucktechnologie – Sie können verschiedene Arten von Funktionsmaterialien 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 Arten von Gasen wie Ammoniak, Kohlenmonoxid und andere reagieren können.

Technische Informationen: Haben Sie darüber nachgedacht, wie dies kommerziell umgesetzt werden könnte? Mir scheint, Sie müssten eine ganz andere Art von 3D-Drucker bauen.

Zhong: Ja, wir arbeiten derzeit mit Jabil, Inc. zusammen. um ein Rolle-zu-Rolle-System zu bauen, mit dem Sie Geräte mit hoher Geschwindigkeit herstellen können. Da wir keine Bindemittel verwenden, müssen wir keine Hitze anwenden und dann warten, bis das Material getrocknet ist. Das bedeutet, dass wir durch die Verwendung dieses Rolle-zu-Rolle-Systems zum Drucken – um die elektrostatische Kraft zu erzeugen – flexible Geräte und sogar 3D-Strukturen schnell und kostengünstig herstellen können.

Technische Informationen: Ist es schwierig, die zur Erzeugung von Korona erforderliche Hochspannung zu erzeugen und zu handhaben?

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

Technische Informationen: Ist es ein Problem sicherzustellen, dass die Hochspannung keinen Schaden anrichten kann?

Zhong: Nun, natürlich müssen Sie das System verwalten und alle umgebenden leitenden Bereiche abdecken. Nach unseren Beobachtungen sollte es sehr gut funktionieren, solange Sie die Halterung für die Elektrode mit Isolierschichten abdecken - wir hatten damit keine großen Probleme.

Technische Informationen: Welche Art von Material verwenden Sie für die Abdeckung?

Zhong: Im Moment verwenden wir in unserem Labor einfach Isolierbänder. Für die Zukunft planen wir, eine besser kontrollierbare Oberflächenbeschichtung oder isolierende Halterungen zu schaffen, was einfach zu bewerkstelligen ist. Wir können Polymere verwenden, um die Beschichtung zu realisieren, und 3D-Drucker, um den Prototyp herzustellen. Wir haben mehrere polymerbezogene Projekte in meinem Labor, das sollte also einfach sein.

Technische Informationen: Haben Sie neben Ihrem „e-skin“ Dehnungssensor noch andere Anwendungen im Auge?

Zhong: Ja, wir haben zum Beispiel mit einem Unternehmen über die Herstellung intelligenter dehnungsempfindlicher Teppiche gesprochen, was praktisch wird, weil es sich bei unserer Technologie um eine sehr kostengünstige und ultraschnelle Fertigungstechnologie handelt, mit der großflächige Produkte gedruckt werden können. Die Idee ist, einen Teppich herzustellen, der erkennen kann, wie viele Menschen darauf stehen. Sie könnten dann zum Beispiel den Energieverbrauch des HLK-Systems basierend auf der Anzahl der Personen in einem Raum anpassen.

Wir arbeiten auch mit einem Kollegen an einem Antrag auf körperliche Rehabilitation. Unser Kollege arbeitet mit Menschen, die Schwierigkeiten haben, das Verhalten ihrer Beine zu kontrollieren. Da unser Sensor ultradünn ist, ist er sehr bequem und Sie können ihn groß genug machen, um ihn zu tragen. Das könnte ihnen dabei helfen, herauszufinden, wie sie das Verhalten ihrer Beine besser kontrollieren können.

Es gibt viele mögliche zukünftige Anwendungen. Sie könnten es zum Beispiel an der Hand eines Roboters befestigen. Wenn Sie möchten, dass es etwas aufnimmt, könnte es spüren, wie viel Druck ausgeübt wird und mit wie viel Fläche es in Kontakt ist.

Technische Informationen: Haben Sie eine ungefähre Einschätzung, wann dies für den kommerziellen Einsatz bereit sein könnte?

Zhong: Im Moment arbeiten wir mit Jabil zusammen, um ein kleines Rolle-zu-Rolle-System in unserem Labor einzurichten. Wenn es gut funktioniert, werden wir es in Jabil aufbauen und ihnen helfen, Sensoren in großen Stückzahlen oder großen Größen herzustellen. Das kann drei bis fünf Jahre dauern, aber gerade heutzutage ist es schwer vorherzusagen.

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