Печатная электроника:гибкие и недорогие инновации завтрашнего дня

Изготовление недорогой печатной электроники

Потребность в недорогих и экологически чистых процессах изготовления печатной электроники и биосенсорных чипов быстро растет. НАСА разработало уникальный подход к процессу на основе плазмы атмосферного давления для изготовления печатной электроники и функциональных покрытий. Эта система включает в себя печать с использованием аэрозоля при комнатной температуре, при которой аэрозоль, несущий желаемый материал для осаждения, вводится в струю холодной плазмы, работающую при атмосферном давлении.

Исследователи Массачусетского технологического института изготовили штамп из углеродных нанотрубок, который печатает электронными чернилами на жестких и гибких поверхностях. (Санха Ким и Дханушкоди Мариаппан)

Осаждение является результатом взаимодействия аэрозоля, содержащего материал-прекурсор, с плазмой атмосферного давления, содержащей первичный газ. Аэрозольное плазменное осаждение — это высокопроизводительный и простой процесс печати и нанесения рисунков, который легко масштабируется для промышленного производства. Для нанесения различных материалов можно использовать несколько струй, и этот подход можно адаптировать к различным платформам.

Коммерческое применение системы включает биомедицинские технологии, бытовую электронику, электронную бумагу, безопасность и связь.

«Штамповка» электроники с помощью нанотрубок

Исследователи из штата Айова Супрем Дас (слева) и Джонатан Клауссен используют лазеры для обработки печатной графеновой электроники, например, напечатанной на листе бумаги. (Кристофер Гэннон)

Представьте себе упаковку еды, на которой отображается цифровое предупреждение о том, что еда вот-вот испортится, или окно в вашем доме, на котором отображается прогноз погоды на основе измерений температуры и уровня влажности на улице.

Инженеры Массачусетского технологического института изобрели быстрый и точный процесс печати, который позволит использовать эти электронные поверхности. Команда разработала штамп из углеродных нанотрубок, который позволяет печатать электронными чернилами на жестких и гибких поверхностях. Этот процесс должен позволять печатать транзисторы достаточно маленького размера, чтобы управлять отдельными пикселями на дисплеях и сенсорных экранах с высоким разрешением. Этот процесс также может обеспечить относительно недорогой и быстрый способ изготовления других электронных поверхностей.

Поскольку такие методы, как струйная печать, трудно контролировать в очень малых масштабах, они имеют тенденцию создавать узоры «кофейных колец», когда чернила выходят за границы, или неровные отпечатки, которые могут привести к неполным контурам. В новой технологии используется нанопористый штамп, который позволяет раствору наночастиц или «чернилам» равномерно течь через штамп на любую поверхность, на которой будет производиться печать.

Углеродные нанотрубки выращиваются на поверхности кремния в различных узорах, включая сотовые шестиугольники и конструкции в форме цветов. Нанотрубки покрыты тонким полимерным слоем, чтобы гарантировать проникновение чернил через нанотрубки и отсутствие усадки нанотрубок после штамповки чернил. Затем в штамп заливают небольшой объем электронных чернил, содержащих наночастицы, такие как серебро, оксид цинка или полупроводниковые квантовые точки.

Ключом к печати точных рисунков с высоким разрешением является сила давления, прикладываемого для штамповки чернил. Была разработана модель для прогнозирования величины силы, необходимой для нанесения ровного слоя чернил на подложку, а также концентрации наночастиц в чернилах. После штамповки чернильных рисунков различного дизайна команда проверила электропроводность напечатанных рисунков. После нагрева рисунков после штамповки напечатанные узоры обладали высокой проводимостью и могли служить высокоэффективными прозрачными электродами. В дальнейшем команда планирует реализовать возможность создания полностью печатной электроники.

Напечатанный графен, обработанный лазерами, позволяет использовать бумажную электронику

Схема самовосстановления, напечатанная на рукаве футболки, была соединена со светодиодом и батарейкой-таблеткой. Схема и ткань, на которой она была напечатана, были разрезаны, после чего светодиод погас. Через несколько секунд светодиод снова загорелся, поскольку две стороны цепи снова соединились и восстановились.

Углеродные соты графена имеют толщину всего в атом, проводят электричество и тепло, прочны и стабильны. Недавние проекты, в которых использовались струйные принтеры для печати многослойных графеновых схем и электродов, привели к использованию графена для изготовления гибкой, носимой и недорогой электроники. Но после печати графен необходимо обработать для улучшения электропроводности и производительности устройства, что обычно означает воздействие высоких температур или химикатов, которые могут разрушить гибкие или одноразовые поверхности для печати, такие как пластиковые пленки или даже бумага.

Исследователи из Университета штата Айова разработали метод, в котором для обработки графена используются лазеры. Обработка многослойных графеновых электрических цепей и электродов, напечатанных на струйной печати, с помощью импульсного лазера позволила улучшить электропроводность без повреждения бумаги, полимеров или других хрупких печатных поверхностей.

Графен, напечатанный на струйной печати, превращается в проводящий материал, который можно использовать в новых приложениях, таких как датчики биологического назначения, системы хранения энергии, электропроводящие компоненты и электроника на бумажной основе.

Инженеры разработали лазерную технологию с компьютерным управлением, которая выборочно облучает напечатанный на струйной печати оксид графена. Обработка удаляет связующие вещества чернил и превращает оксид графена в графен, физически сшивая вместе миллионы крошечных графеновых чешуек. Этот процесс повышает электропроводность более чем в тысячу раз. Локализованная лазерная обработка также меняет форму и структуру напечатанного графена с плоской поверхности на поверхность с выпуклыми трехмерными наноструктурами, напоминающими крошечные лепестки, поднимающиеся над поверхностью. Грубая и ребристая структура увеличивает электрохимическую реакционную способность графена, что делает его полезным для химических и биологических сенсоров.

Эта работа открывает путь к созданию недорогих одноразовых электрохимических электродов на основе графена для таких применений, как датчики, биосенсоры, топливные элементы и медицинские устройства.

Электронные устройства, «напечатанные» магнитными чернилами

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) разработали магнитные чернила, которые можно использовать для изготовления самовосстанавливающихся батарей, электрохимических датчиков и носимых электрических цепей на текстильной основе. Чернила состоят из микрочастиц, ориентированных в определенной конфигурации магнитным полем, которое позволяет частицам с обеих сторон разрыва магнитно притягиваться друг к другу, заставляя устройство, напечатанное чернилами, самовосстанавливаться. Устройства устраняют разрывы шириной до 3 миллиметров.

Существующие самовосстанавливающиеся материалы требуют внешнего триггера, чтобы запустить процесс заживления. На их работу также уходит от нескольких минут до нескольких дней. Для работы новой системы не требуется внешний катализатор, а повреждения устраняются примерно за 0,05 секунды.

Чернила использовались для печати батарей, электрохимических датчиков и носимых электрических схем на текстильной основе. Затем устройства были повреждены:их разрезали и раздвинули, образовав все более широкие щели. Устройства все же восстановили свои функции, потеряв при этом минимальную проводимость.

Схема самовосстановления была напечатана на рукаве футболки и соединена со светодиодной лампочкой и батарейкой-таблеткой. Схема и ткань, на которой она была напечатана, были вырезаны. В этот момент светодиод погас. Через несколько секунд светодиод начал снова включаться, поскольку две стороны цепи снова соединились и восстановили проводимость. В будущем инженеры планируют создавать разные чернила с разными ингредиентами для широкого спектра применений.

Ресурсы

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/Magnetic_ink

http://news.mit.edu 

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