(PhysOrg.com) -- Het afdrukken van elektronische circuits op backplanes die zowel flexibel als rekbaar zijn, belooft een revolutie teweeg te brengen in een aantal industrieën en 'slimme apparaten' bijna alomtegenwoordig te maken. Enkele van de beoogde toepassingen zijn elektronische pads die kunnen worden opgevouwen als papier, coatings die oppervlakken kunnen controleren op scheuren en andere structurele defecten, medische verbandmiddelen die infecties kunnen behandelen en voedselverpakkingen die bederf kunnen detecteren. Van zonnecellen tot pacemakers tot kleding, de lijst met slimme toepassingen voor zogenaamde "plastic electronics" is zowel flexibel als rekbaar. Eerst, echter, geschikte backplanes moeten op een kosteneffectieve manier in massa worden geproduceerd.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het DOE hebben een veelbelovende nieuwe goedkope techniek ontwikkeld voor het vervaardigen van grootschalige flexibele en rekbare backplanes met behulp van halfgeleider-verrijkte koolstofnanobuisoplossingen die netwerken van dunnefilmtransistors met uitstekende elektrische eigenschappen opleveren, inclusief een mobiliteit van ladingsdragers die aanzienlijk hoger is dan die van organische tegenhangers. Om het nut van hun koolstofnanobuis-backplanes aan te tonen, de onderzoekers construeerden een kunstmatige elektronische huid (e-skin) die aanraking kan detecteren en erop kan reageren.

"Met onze oplossingsgerichte verwerkingstechnologie, we hebben mechanisch flexibele en rekbare backplanes met actieve matrix geproduceerd, gebaseerd op volledig gepassiveerde en zeer uniforme arrays van dunne-filmtransistors gemaakt van enkelwandige koolstofnanobuizen die gelijkmatig gebieden van ongeveer 56 vierkante centimeter bedekken, " zegt Ali Javey, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California (UC) Berkeley. "Deze technologie, in combinatie met inkjetprinten van metalen contacten, zou in de toekomst lithografievrije fabricage van goedkope flexibele en rekbare elektronica moeten bieden."

Javey is de corresponderende auteur van een artikel in het tijdschrift Nano-letters dat dit werk met de titel "Carbon Nanotube Active-Matrix Backplanes for Conformal Electronics and Sensors" beschrijft. Co-auteur van dit artikel waren Toshitake Takahashi, Kuniharu Takei, Andrew Gillies en Ronald Vrezend.

Met de vraag naar plastic elektronica zo groot, onderzoek en ontwikkeling op dit gebied is het afgelopen decennium intensief geweest. Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWNT's) zijn naar voren gekomen als een van de meest concurrerende halfgeleidermaterialen voor plastic elektronica, voornamelijk omdat ze een hoge mobiliteit hebben voor elektronen - een maat voor hoe snel een halfgeleider elektriciteit geleidt. Echter, SWNT's kunnen de vorm aannemen van een halfgeleider of een metaal en een typische SWNT-oplossing bestaat uit tweederde halfgeleidende en een derde metalen buizen. Deze mix levert nanobuisnetwerken op die lage aan/uit-stroomverhoudingen vertonen, wat een groot probleem vormt voor elektronische toepassingen, legt de hoofdauteur van de NanoLetters-paper Takahashi uit.

"Een zo hoog mogelijke aan/uit-stroomverhouding is essentieel om de onderbreking van pixels in een uit-stand te verminderen, "zegt hij. "Bijvoorbeeld, met ons e-skin apparaat, wanneer we druk in kaart brengen, we willen het signaal alleen krijgen van de on-state pixel waarop druk wordt uitgeoefend. Met andere woorden, we willen de stroom zo klein mogelijk maken van de andere pixels die geacht worden uitgeschakeld te zijn. Hiervoor hebben we een hoge aan/uit stroomverhouding nodig."

Om hun backplanes te maken, Javey, Takahashi en hun co-auteurs gebruikten een SWNT-oplossing die was verrijkt tot 99 procent halfgeleiderbuizen. Deze sterk gezuiverde oplossing voorzag de onderzoekers van een hoge aan/uit-verhouding (ongeveer 100) voor hun backplanes. Werken met een dunne ondergrond van polyamide, een

hoge sterkte polymeer met superieure flexibiliteit, ze sneden een honingraatpatroon van zeshoekige gaten met laser uit waardoor het substraat ook rekbaar werd. De gaten werden gesneden met een vaste steek van 3,3 millimeter en een gevarieerde lengte van de gatzijde die varieerde van 1,0 tot 1,85 millimeter.

"De mate waarin het substraat kon worden uitgerekt, nam toe van 0 tot 60 procent naarmate de zijlengte van de zeshoekige gaten toenam tot 1,85 mm, " zegt Takahashi. "In de toekomst, de mate van rekbaarheid en richtingsgevoeligheid moeten afstembaar zijn door ofwel de gatgrootte te veranderen of het mesh-ontwerp te optimaliseren."

Backplanes werden voltooid met de afzetting op de substraten van lagen silicium en aluminiumoxiden, gevolgd door de met halfgeleiders verrijkte SWNT's. De resulterende backplanes van SWNT-dunne-filmtransistors werden gebruikt om e-skin te creëren voor het in kaart brengen van ruimtelijke druk. De e-skin bestond uit een array van 96 sensorpixels, met een oppervlakte van 24 vierkante centimeter, waarbij elke pixel actief wordt bestuurd door een enkele dunne-filmtransistor. Om de druk in kaart te brengen, een L-vormig gewicht werd bovenop de e-skin-sensorarray geplaatst met de normale druk van ongeveer 15 kilo Pascal (313 pond per vierkante voet).

"In het lineaire operatieregime, de gemeten sensorgevoeligheid weerspiegelde een drievoudige verbetering in vergelijking met eerdere op nanodraad gebaseerde e-skin-sensoren die vorig jaar door onze groep werden gerapporteerd, ", zegt Takahashi. "Deze verbeterde gevoeligheid was het resultaat van de verbeterde apparaatprestaties van de SWNT-backplanes. In de toekomst zouden we onze backplane-technologie moeten kunnen uitbreiden door verschillende sensor- en/of andere actieve apparaatcomponenten toe te voegen om multifunctionele kunstmatige huiden mogelijk te maken. In aanvulling, de SWNT-backplane kan worden gebruikt voor flexibele displays."