De eerste demonstratie van een volledig print-in-place elektronicatechniek is zacht genoeg om te werken op oppervlakken die zo kwetsbaar zijn als de menselijke huid en papierElektrotechnici van Duke University hebben een volledig print-in-place-techniek voor elektronica ontwikkeld die zacht genoeg is om te werken op delicate oppervlakken, waaronder papier en de menselijke huid.De vooruitgang kan technologieën mogelijk maken zoals high-adhesion, embedded elektronische tatoeages en verbanden die zijn misleid met patiëntspecifieke biosensoren.De technieken worden beschreven in een reeks artikelen die op 9 juli online zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nanoscale en op 3 oktober in het tijdschrift ACS Nano."Als mensen de term 'gedrukte elektronica' horen, is de verwachting dat een persoon een substraat en de ontwerpen voor een elektronische schakeling in een printer laadt en enige redelijke tijd later een volledig functioneel elektronisch circuit verwijdert," zei Aaron Franklin, de James L. en Elizabeth M. Vincent Universitair hoofddocent Electrical and Computer Engineering aan Duke."In de loop der jaren zijn er een hele reeks onderzoekspapers geweest die dit soort 'volledig geprinte elektronica' beloven, maar de realiteit is dat het proces in feite inhoudt dat het monster meerdere keren wordt uitgenomen om het te bakken, te wassen of materialen erop te spinnen. ', zei Franklin."De onze is de eerste waar de realiteit overeenkomt met de publieke perceptie.""Sommige van de meer exotische toepassingen zijn onder meer nauw verbonden elektronische tatoeages die kunnen worden gebruikt voor biologische tagging of unieke detectiemechanismen, snelle prototyping voor on-the-fly aangepaste elektronica en op papier gebaseerde diagnostiek die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in op maat gemaakte verbanden."Het concept van zogenaamde elektronische tatoeages werd voor het eerst ontwikkeld in de late jaren 2000 aan de Universiteit van Illinois door John A. Rogers, die nu de Louis Simpson en Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering is aan de Northwestern University.In plaats van een echte tatoeage die permanent in de huid wordt geïnjecteerd, zijn de elektronische tatoeages van Rogers dunne, flexibele stukjes rubber die even flexibele elektrische componenten bevatten.De dunne film plakt aan de huid, net als een tijdelijke tatoeage, en vroege versies van de flexibele elektronica werden gemaakt om hart- en hersenactiviteitsmonitors en spierstimulatoren te bevatten.Hoewel dit soort apparaten op weg zijn naar commercialisering en grootschalige productie, zijn er enkele arena's waarin ze niet goed geschikt zijn, zoals wanneer directe wijziging van een oppervlak door toevoeging van aangepaste elektronica nodig is."Om direct of additief afdrukken echt nuttig te maken, moet u alles wat u afdrukt in één stap kunnen afdrukken", aldus Franklin."Sommige van de meer exotische toepassingen zijn onder meer nauw verbonden elektronische tatoeages die kunnen worden gebruikt voor biologische tagging of unieke detectiemechanismen, snelle prototyping voor on-the-fly aangepaste elektronica en op papier gebaseerde diagnostiek die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in op maat gemaakte verbanden."In de juli-paper ontwikkelden Franklin's lab en het laboratorium van Benjamin Wiley, hoogleraar scheikunde aan Duke, een nieuwe inkt met zilveren nanodraden die bij lage temperaturen op elk substraat kunnen worden afgedrukt met een spuitbusprinter.Het levert een dunne film op die zijn geleidbaarheid behoudt zonder verdere bewerking.Na het printen is de inkt in minder dan twee minuten droog en behoudt hij zijn hoge elektrische prestaties, zelfs na meer dan duizend keer een buigbelasting van 50 procent te hebben doorstaan.In een video bij de eerste paper print afgestudeerde student Nick Williams twee elektronisch actieve leads langs de onderkant van zijn pink.Tegen het einde van zijn vinger verbindt hij de draden met een klein LED-lampje.Vervolgens brengt hij een spanning aan op de onderkant van de twee gedrukte draden, waardoor de LED blijft branden, zelfs als hij buigt en de vinger beweegt.In het tweede artikel gaan Franklin en afgestudeerde student Shiheng Lu nog een stap verder en combineren deze met twee andere afdrukbare componenten om functionele transistors te creëren.De printer legt eerst een halfgeleidende strip van koolstofnanobuisjes neer.Als het eenmaal droog is, en zonder het plastic of papieren substraat van de printer te verwijderen, worden twee zilveren nanodraaddraden bedrukt die enkele centimeters aan weerszijden uitsteken.Een niet-geleidende diëlektrische laag van een tweedimensionaal materiaal, hexagonaal boornitride, wordt vervolgens op de originele halfgeleiderstrip gedrukt, gevolgd door een laatste zilveren nanodraad-poortelektrode.Met de huidige technologieën zou voor ten minste één van deze stappen het substraat moeten worden verwijderd voor aanvullende verwerking, zoals een chemisch bad om ongewenst materiaal weg te spoelen, een uithardingsproces om ervoor te zorgen dat de lagen niet mengen, of een langere baktijd om sporen te verwijderen van organisch materiaal dat elektrische velden kan verstoren.Maar Franklin's print-in-place vereist geen van deze stappen en kan, ondanks de noodzaak om elke laag volledig te drogen om vermenging van materialen te voorkomen, worden voltooid bij de laagste totale verwerkingstemperatuur die tot nu toe is gerapporteerd."Niemand dacht dat de vernevelde inkt, vooral voor boornitride, de eigenschappen zou leveren die nodig zijn om functionele elektronica te maken zonder minstens anderhalf uur te worden gebakken", zei Franklin.“Maar we hebben het niet alleen aan het werk gekregen, we hebben ook aangetoond dat het twee uur na het printen bakken de prestaties niet verbetert.Het was zo goed als het maar kon worden door ons volledig print-in-place proces te gebruiken.”Franklin ziet zijn printmethode niet in de plaats komen van grootschalige productieprocessen voor draagbare elektronica.Maar hij ziet wel een potentiële waarde voor toepassingen als rapid prototyping of situaties waarin one size niet voor iedereen geldt."Denk aan het maken van op maat gemaakte verbanden die elektronica bevatten zoals biosensoren, waar een verpleegster gewoon naar een werkstation kan lopen en kan intoetsen welke functies nodig zijn voor een specifieke patiënt", zei Franklin."Dit is het type print-on-demand-capaciteit dat daarbij zou kunnen helpen."Dit werk werd ondersteund door het Department of Defense Congressionally Directed Medical Research Program (W81XWH-17-2-0045), de National Institutes of Health (1R21HL141028) en de National Science Foundation (ECCS-1542015).CITATIES: "Zilveren nanodraadinkten voor direct-write elektronische tattoo-toepassingen."Nicholas X. Williams, Steven Noyce, Jorge A. Cardenas, Matthew Catenacci, Benjamin J. Wiley en Aaron D. Franklin.Nanoschaal, uitgave 30, 14 augustus 2019. DOI: 10.1039/c9nr03378e"Flexibele, print-in-place 1D-2D dunne-film transistors met behulp van aerosol jet printing."Shiheng Lu, Jorge A. Cardenas, Robyn Worsley, Nicholas X. Williams, Joseph B. Andrews, Cinzia Casiraghi en Aaron D. Franklin.ACS Nano, 3 oktober 2019. DOI: 10.1021/acsnano.9b04337© Copyright 2011-2022 Duke University |Pratt-intranet