Revolutionierung der tragbaren Technologie:Print-In-Place-Elektronik für personalisierte Biosensor-Tattoos

Duke University Pratt School of Engineering, Durham, North Carolina

Eine vollständig „Print-in-Place“-Technik für die Elektronik könnte Technologien wie stark haftende, eingebettete elektronische Tätowierungen und Bandagen mit patientenspezifischen Biosensoren ermöglichen.

Zwei elektronisch aktive Leitungen, die direkt auf der Unterseite des kleinen Fingers aufgedruckt sind, bringen beim Anlegen einer Spannung erfolgreich eine LED zum Leuchten.

Herkömmliche elektronische Tattoos sind dünne, flexible Gummipflaster, die ebenso flexible elektrische Komponenten enthalten. Der dünne Film haftet auf der Haut, ähnlich wie ein temporäres Tattoo, und frühe Versionen der flexiblen Elektronik wurden für Herz- und Gehirnaktivitätsmonitore sowie Muskelstimulatoren entwickelt. In einigen Bereichen sind sie nicht gut geeignet, beispielsweise wenn eine direkte Modifikation einer Oberfläche durch Hinzufügen kundenspezifischer Elektronik erforderlich ist.

Forscher entwickelten eine neuartige Tinte mit Silbernanodrähten, die mit einem Aerosoldrucker bei niedrigen Temperaturen auf jedes Substrat gedruckt werden kann. Es entsteht ein dünner Film, der ohne weitere Bearbeitung seine Leitfähigkeit behält. Nach dem Drucken ist die Tinte in weniger als zwei Minuten trocken und behält ihre hohe elektrische Leistung auch nach mehr als 1.000-maliger Biegebelastung von 50 Prozent.

In einer Demonstration wurden zwei elektronisch aktive Leitungen entlang der Unterseite eines kleinen Fingers gedruckt. Am Ende des Fingers sind die Leitungen mit einer kleinen LED-Leuchte verbunden. Dann wird an der Unterseite der beiden gedruckten Leitungen eine Spannung angelegt, wodurch die LED auch dann leuchtet, wenn sich der Finger beugt und bewegt.

Die leitfähige Tinte kann mit zwei anderen druckbaren Komponenten kombiniert werden, um funktionsfähige Transistoren zu schaffen. Der Drucker legt zunächst einen halbleitenden Streifen aus Kohlenstoffnanoröhren auf. Sobald es trocknet und ohne das Plastik- oder Papiersubstrat aus dem Drucker zu entfernen, werden zwei silberne Nanodrahtleitungen gedruckt, die mehrere Zentimeter über beide Seiten hinausragen. Anschließend wird eine nichtleitende dielektrische Schicht aus einem zweidimensionalen Material (hexagonales Bornitrid) auf den ursprünglichen Halbleiterstreifen gedruckt, gefolgt von einer abschließenden Silber-Nanodraht-Gate-Elektrode.

Bei den heutigen Technologien müsste bei mindestens einem dieser Schritte das Substrat für eine weitere Bearbeitung entfernt werden, etwa ein chemisches Bad, um unerwünschtes Material abzuspülen, ein Härtungsprozess, um sicherzustellen, dass sich die Schichten nicht vermischen, oder ein längeres Backen, um Spuren organischen Materials zu entfernen, die elektrische Felder stören können. Die Print-in-Place-Technik erfordert keinen dieser Schritte und kann trotz der Notwendigkeit, jede Schicht vollständig zu trocknen, um eine Vermischung von Materialien zu vermeiden, bei der niedrigsten bisher gemeldeten Gesamtverarbeitungstemperatur durchgeführt werden.

Das Druckverfahren ersetzt nicht groß angelegte Herstellungsprozesse für tragbare Elektronik, ist aber für Anwendungen wie Rapid Prototyping oder für Bandagen, die Biosensoren enthalten, von Nutzen.

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