Revolutionierung der Wearable-Technologie: Print-in-Place-Elektronik für personalisierte Biosensor-Tattoos

Die Pratt School of Engineering der Duke University in Durham, North Carolina, hat eine vollständig print-in-place Technik für Elektronik entwickelt, die Technologien wie hochhaftende, eingebettete elektronische Tattoos und Verbände mit patientenspezifischen Biosensoren ermöglichen könnte.

Durchbruch bei der direkten Drucktechnik

Zwei elektronisch aktive Leiterbahnen wurden direkt auf die Unterseite des kleinen Fingers gedruckt und leuchten eine LED auf, wenn Spannung angelegt wird. Herkömmliche elektronische Tattoos sind dünne, flexible Gummipatches mit ebenso flexiblen elektrischen Komponenten. Der dünne Film haftet auf der Haut ähnlich wie ein temporäres Tattoo. Frühe Versionen enthielten Herz- und Hirnaktivitätsmonitore sowie Muskelstimulatoren. Es gibt jedoch Anwendungsbereiche, für die sie weniger geeignet sind – insbesondere wenn eine direkte Modifikation einer Oberfläche durch Hinzufügen individueller Elektronik erforderlich ist.

Neuartige leitfähige Tinte

Forscher entwickelten eine neuartige Tinte mit Silbernanodrähten, die bei niedrigen Temperaturen mit einem Aerosoldrucker auf jedes Substrat gedruckt werden kann. Sie ergibt einen dünnen Film, der seine Leitfähigkeit ohne weitere Verarbeitungsschritte beibehält. Nach dem Drucken ist die Tinte in weniger als zwei Minuten trocken und behält ihre hohe elektrische Leistung auch nach 1.000 Biegezyklen mit 50 % Dehnung bei.

Praktische Demonstration

In einer Demonstration wurden zwei elektronisch aktive Leiterbahnen entlang der Unterseite eines kleinen Fingers gedruckt. Am Fingerende sind die Bahnen mit einer kleinen LED verbunden. Wird Spannung an die unteren Enden der beiden gedruckten Leiter angelegt, leuchtet die LED selbst dann, wenn sich der Finger bewegt und biegt.

Funktionale Transistoren durch Kombination

Die leitfähige Tinte kann mit zwei weiteren druckbaren Komponenten zu funktionsfähigen Transistoren kombiniert werden. Der Drucker legt zuerst einen halbleitenden Streifen aus Kohlenstoffnanoröhren ab. Nach dem Trocknen – ohne das Substrat aus dem Drucker zu entnehmen – werden zwei Silbernanodraht-Leitungen gedruckt, die sich mehrere Zentimeter zu beiden Seiten erstrecken. Darauf folgt eine nicht-leitende dielektrische Schicht aus einem zweidimensionalen Material (hexagonales Bornitrid), und schließlich ein Silbernanodraht-Gate-Elektrode.

Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren

Bei heutigen Technologien würde mindestens einer dieser Schritte erfordern, das Substrat für zusätzliche Verarbeitungsschritte zu entnehmen – etwa ein chemisches Bad zum Entfernen unerwünschter Materialien, ein Härteprozess zur Vermeidung von Schichtvermischung oder ein längeres Backen zur Entfernung organischer Spuren, die elektrische Felder stören könnten. Die Print-in-Place-Technik benötigt keine dieser Schritte und kann trotz der Notwendigkeit, dass jede Schicht vollständig trocknet, bei der bisher niedrigsten Gesamttemperatur durchgeführt werden.

Anwendungsbereiche

Das Druckverfahren ersetzt keine großindustriellen Fertigungsprozesse für Wearable-Elektronik, bietet aber Wert für Anwendungen wie Rapid Prototyping oder Verbände mit integrierten Biosensoren.

Weitere Informationen: Ken Kingery, E-Mail-Adresse durch Spamschutz geschützt (JavaScript erforderlich), Tel.: 919-660-8414.