Gedruckte Elektronik:Flexible, kostengünstige Innovation für morgen

Kostengünstige Herstellung druckbarer Elektronik

Der Bedarf an kostengünstigen und umweltfreundlichen Verfahren zur Herstellung druckbarer Elektronik- und Biosensorchips wächst rasant. Die NASA hat einen einzigartigen Ansatz für einen auf Atmosphärendruckplasma basierenden Prozess zur Herstellung druckbarer Elektronik und funktioneller Beschichtungen entwickelt. Bei diesem System handelt es sich um einen aerosolunterstützten Druck bei Raumtemperatur, bei dem ein Aerosol, das das gewünschte Material zur Abscheidung trägt, in einen kalten Plasmastrahl eingeleitet wird, der bei Atmosphärendruck betrieben wird.

MIT-Forscher stellten einen Stempel aus Kohlenstoffnanoröhren her, der elektronische Tinten auf starre und flexible Oberflächen druckt. (Sanha Kim und Dhanushkodi Mariappan)

Die Ablagerung ist das Ergebnis der Wechselwirkung des Aerosols, das das Vorläufermaterial enthält, mit dem Atmosphärendruckplasma, das ein Primärgas enthält. Die aerosolunterstützte Plasmaabscheidung ist ein einfacher Prozess mit hohem Durchsatz zum Drucken und Strukturieren, der sich leicht für die industrielle Produktion skalieren lässt. Für die Abscheidung verschiedener Materialien können mehrere Düsen verwendet werden, und der Ansatz kann an eine Vielzahl von Plattformen angepasst werden.

Zu den kommerziellen Anwendungen des Systems gehören biomedizinische Technologie, Unterhaltungselektronik, E-Paper, Sicherheit und Kommunikation.

Elektronik mit Nanoröhren „stempeln“

Die Forscher Suprem Das (links) und Jonathan Claussen des US-Bundesstaates Iowa verwenden Laser, um gedruckte Graphenelektronik zu behandeln, beispielsweise solche, die auf einem Blatt Papier gedruckt sind. (Christopher Gannon)

Stellen Sie sich eine Lebensmittelverpackung vor, die eine digitale Warnung anzeigt, dass das Essen bald verderbt, oder ein Fenster in Ihrem Haus, das die Wettervorhersage basierend auf Messungen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Freien anzeigt.

Ingenieure am MIT haben ein schnelles, präzises Druckverfahren erfunden, das diese elektronischen Oberflächen ermöglichen könnte. Das Team entwickelte einen Stempel aus Kohlenstoffnanoröhren, der elektronische Tinten auf starre und flexible Oberflächen drucken kann. Der Prozess soll in der Lage sein, Transistoren zu drucken, die klein genug sind, um einzelne Pixel in hochauflösenden Displays und Touchscreens zu steuern. Das Verfahren bietet möglicherweise auch eine relativ kostengünstige und schnelle Möglichkeit zur Herstellung anderer elektronischer Oberflächen.

Da Techniken wie der Tintenstrahldruck bei sehr kleinen Maßstäben schwer zu kontrollieren sind, neigen sie dazu, „Kaffeeringmuster“ zu erzeugen, bei denen Tinte über die Ränder läuft, oder ungleichmäßige Drucke, die zu unvollständigen Schaltkreisen führen können. Die neue Technik verwendet einen nanoporösen Stempel, der es einer Lösung aus Nanopartikeln oder „Tinte“ ermöglicht, gleichmäßig durch den Stempel und auf die zu bedruckende Oberfläche zu fließen.

Die Kohlenstoffnanoröhren werden in verschiedenen Mustern auf einer Siliziumoberfläche gezüchtet, darunter wabenartige Sechsecke und blütenförmige Designs. Die Nanoröhrchen sind mit einer dünnen Polymerschicht überzogen, um sicherzustellen, dass die Tinte in die Nanoröhrchen eindringt und die Nanoröhrchen nach dem Stempeln der Tinte nicht schrumpfen. Anschließend wird der Stempel mit einer kleinen Menge elektronischer Tinte gefüllt, die Nanopartikel wie Silber, Zinkoxid oder Halbleiter-Quantenpunkte enthält.

Der Schlüssel zum Drucken präziser, hochauflösender Muster liegt in der Stärke des Drucks, der beim Stempeln der Tinte ausgeübt wird. Es wurde ein Modell entwickelt, um die Kraft vorherzusagen, die erforderlich ist, um eine gleichmäßige Tintenschicht auf ein Substrat zu stempeln, sowie die Konzentration von Nanopartikeln in der Tinte. Nachdem das Team Tintenmuster in verschiedenen Designs gestempelt hatte, testete es die elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Muster. Nach dem Erhitzen der Designs nach dem Prägen waren die gedruckten Muster hochleitfähig und konnten als leistungsstarke transparente Elektroden dienen. Zukünftig plant das Team, die Möglichkeit einer vollständig gedruckten Elektronik auszuschöpfen.

Mit Lasern behandeltes gedrucktes Graphen ermöglicht Papierelektronik

Ein selbstheilender Schaltkreis, der auf dem Ärmel eines T-Shirts aufgedruckt war, wurde mit einem LED-Licht und einer Münzbatterie verbunden. Der Schaltkreis und der Stoff, auf den er gedruckt wurde, wurden beide durchtrennt, woraufhin die LED ausging. Innerhalb weniger Sekunden ging die LED wieder an, als die beiden Seiten des Stromkreises wieder zusammenkamen und sich selbst heilten.

Die Graphen-Kohlenstoff-Wabe ist nur ein Atom dick, leitet Strom und Wärme und ist stark und stabil. Jüngste Projekte, bei denen Tintenstrahldrucker zum Drucken mehrschichtiger Graphenschaltkreise und -elektroden eingesetzt wurden, haben zur Verwendung von Graphen für flexible, tragbare und kostengünstige Elektronik geführt. Nach dem Drucken muss das Graphen jedoch behandelt werden, um die elektrische Leitfähigkeit und die Geräteleistung zu verbessern. Dazu sind in der Regel hohe Temperaturen oder Chemikalien erforderlich, die flexible oder Einweg-Druckoberflächen wie Kunststofffolien oder sogar Papier beschädigen könnten.

Forscher der Iowa State University haben eine Methode entwickelt, die Laser zur Behandlung des Graphens verwendet. Durch die Behandlung von tintenstrahlgedruckten, mehrschichtigen elektrischen Schaltkreisen und Elektroden aus Graphen mit einem gepulsten Laserprozess wurde die elektrische Leitfähigkeit verbessert, ohne Papier, Polymere oder andere empfindliche Druckoberflächen zu beschädigen.

Das tintenstrahlgedruckte Graphen wird in ein leitfähiges Material umgewandelt, das in neuen Anwendungen wie Sensoren für biologische Zwecke, Energiespeichersystemen, elektrisch leitenden Komponenten und papierbasierter Elektronik eingesetzt werden kann.

Die Ingenieure entwickelten eine computergesteuerte Lasertechnologie, die tintenstrahlgedrucktes Graphenoxid selektiv bestrahlt. Die Behandlung entfernt Tintenbindemittel und reduziert Graphenoxid zu Graphen, wodurch Millionen winziger Graphenflocken physisch zusammengenäht werden. Das Verfahren verbessert die elektrische Leitfähigkeit um mehr als das Tausendfache. Die lokale Laserbearbeitung verändert auch die Form und Struktur des gedruckten Graphens von einer flachen Oberfläche zu einer mit erhabenen 3D-Nanostrukturen, die winzigen Blütenblättern ähneln, die aus der Oberfläche ragen. Die raue und geriffelte Struktur erhöht die elektrochemische Reaktivität des Graphens und macht es für chemische und biologische Sensoren nützlich.

Die Arbeit ebnet den Weg für die Entwicklung kostengünstiger und wegwerfbarer elektrochemischer Elektroden auf Graphenbasis für Anwendungen wie Sensoren, Biosensoren, Brennstoffzellen und medizinische Geräte.

Elektronische Geräte „gedruckt“ mit magnetischer Tinte

Ingenieure der University of California San Diego (UCSD) haben eine magnetische Tinte entwickelt, mit der sich selbstheilende Batterien, elektrochemische Sensoren und tragbare elektrische Schaltkreise auf Textilbasis herstellen lassen. Die Tinte besteht aus Mikropartikeln, die durch ein Magnetfeld in einer bestimmten Konfiguration ausgerichtet sind. Dadurch werden Partikel auf beiden Seiten einer Träne magnetisch voneinander angezogen, wodurch ein mit der Tinte bedrucktes Gerät sich selbst heilt. Die Geräte reparieren Risse mit einer Breite von bis zu 3 Millimetern.

Bestehende selbstheilende Materialien benötigen einen externen Auslöser, um den Heilungsprozess anzukurbeln. Außerdem dauert es zwischen einigen Minuten und mehreren Tagen, bis sie wirken. Das neue System benötigt keinen externen Katalysator, um zu funktionieren, und Schäden werden innerhalb von etwa 0,05 Sekunden repariert.

Die Tinte wurde zum Drucken von Batterien, elektrochemischen Sensoren und tragbaren elektrischen Schaltkreisen auf Textilbasis verwendet. Dann wurden die Geräte beschädigt, indem man sie zerschnitt und auseinanderzog, wodurch immer größere Lücken entstanden. Die Geräte heilten sich immer noch selbst und stellten ihre Funktion wieder her, während sie nur ein Minimum an Leitfähigkeit verloren.

Auf den Ärmel eines T-Shirts wurde ein selbstheilender Schaltkreis gedruckt und mit einem LED-Licht und einer Münzbatterie verbunden. Sowohl der Schaltkreis als auch der Stoff, auf den er gedruckt wurde, wurden ausgeschnitten. Zu diesem Zeitpunkt erlosch die LED. Innerhalb weniger Sekunden begann die LED wieder zu leuchten, als die beiden Seiten des Stromkreises wieder zusammenkamen, sich selbst heilten und die Leitfähigkeit wiederherstellten. Ingenieure träumen davon, in Zukunft verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen für ein breites Anwendungsspektrum herzustellen.

Ressourcen

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink

http://news.mit.edu 

http://www.news.iastate.edu/news